- Четырехквадрантная работа в двойном преобразователе
- Принцип
- Практичный двойной конвертер
- 1) Работа с двойным преобразователем без циркулирующего тока
- 2) Двойной преобразователь с циркулирующим током
- 1) Однофазный двойной преобразователь
- 2) Трехфазный сдвоенный преобразователь
В предыдущем уроке мы видели, как устроена схема двойного источника питания, теперь мы узнаем о двойных преобразователях, которые могут одновременно преобразовывать переменный ток в постоянный и постоянный ток в переменный. Как следует из названия, Dual Converter имеет два преобразователя, один преобразователь работает как выпрямитель (преобразует переменный ток в постоянный), а другой преобразователь работает как инвертор (преобразует постоянный ток в переменный). Оба преобразователя подключены друг к другу с общей нагрузкой, как показано на рисунке выше. Чтобы узнать больше о выпрямителях и инверторах, перейдите по ссылкам.
Почему мы используем двойной конвертер? Если только один преобразователь может питать нагрузку, тогда почему мы используем два преобразователя? Эти вопросы могут возникнуть, и вы получите ответ в этой статье.
Здесь у нас есть два конвертера, подключенных спина к спине. Благодаря такому типу подключения данное устройство может быть рассчитано на четырехквадрантную работу. Это означает, что и напряжение нагрузки, и ток нагрузки становятся обратимыми. Как возможна четырехквадрантная работа в сдвоенном преобразователе? Это мы увидим далее в этой статье.
Как правило, сдвоенные преобразователи используются для реверсивных приводов постоянного тока или приводов постоянного тока с регулируемой скоростью. Он используется для приложений большой мощности.
Четырехквадрантная работа в двойном преобразователе
Первый квадрант: напряжение и ток положительные.
Второй квадрант: напряжение положительное, а ток отрицательное.
Третий квадрант: напряжение и ток отрицательны.
Четвертый квадрант: напряжение отрицательное, а ток положительное.
Из этих двух преобразователей первый преобразователь работает в двух квадрантах в зависимости от значения угла зажигания α. Этот преобразователь работает как выпрямитель, когда значение α меньше 90˚. В этой операции преобразователь выдает положительное среднее напряжение нагрузки и ток нагрузки и работает в первом квадранте.
Когда значение α больше 90 °, этот преобразователь работает как инвертор. В этой операции преобразователь выдает отрицательное среднее выходное напряжение, и направление тока не изменяется. Поэтому ток нагрузки остается положительным. При работе в первом квадранте энергия передается от источника к нагрузке, а в работе в четвертом квадранте энергия передается от нагрузки к источнику.
Аналогично, второй преобразователь работает как выпрямитель, когда угол зажигания α меньше 90 °, и он работает как инвертор, когда угол зажигания α больше 90 °. Когда этот преобразователь работает как выпрямитель, среднее выходное напряжение и ток отрицательны. Итак, он работает в третьем квадранте, и поток мощности идет от нагрузки к источнику. Здесь двигатель вращается в обратном направлении. Когда этот преобразователь работает как инвертор, среднее выходное напряжение положительное, а ток - отрицательное. Итак, он работает во втором квадранте, и поток мощности идет от нагрузки к источнику.
Когда поток энергии идет от нагрузки к источнику, двигатель ведет себя как генератор, и это делает возможным рекуперативное отключение.
Принцип
Чтобы понять принцип работы двойного преобразователя, мы предполагаем, что оба преобразователя идеальны. Это означает, что они вырабатывают чистое выходное напряжение постоянного тока, на выходных клеммах нет пульсаций. Упрощенная эквивалентная схема сдвоенного преобразователя показана на рисунке ниже.
На приведенной выше принципиальной схеме преобразователь предполагается как управляемый источник постоянного напряжения, и он включен последовательно с диодом. Угол открытия конвертеров регулируется схемой управления. Таким образом, напряжения постоянного тока обоих преобразователей равны по величине и противоположны по полярности. Это позволяет пропускать ток в обратном направлении через нагрузку.
Преобразователь, работающий как выпрямитель, называется преобразователем положительной группы, а другой преобразователь, работающий как инвертор, называется преобразователем отрицательной группы.
Среднее выходное напряжение зависит от угла зажигания. Для однофазного инвертора и трехфазного инвертора среднее выходное напряжение имеет форму следующих ниже уравнений.
E DC1 = E max Cos⍺ 1 E DC2 = E max Cos⍺ 2
Где α 1 и α 2 - угол зажигания преобразователя-1 и преобразователя-2 соответственно.
Для однофазного сдвоенного преобразователя, E макс = 2E м / π
Для трехфазного сдвоенного преобразователя, E макс = 3√3E м / π
Для идеального конвертера, E DC = E DC1 = -E DC2 E max Cos⍺ 1 = -E max Cos⍺ 2 Cos⍺ 1 = -Cos⍺ 2 Cos⍺ 1 = Cos (180⁰ - 2) ⍺ 1 = 180⁰ - ⍺ 2 ⍺ 1 + ⍺ 2 = 180⁰
Как обсуждалось выше, среднее выходное напряжение является функцией угла зажигания. Это означает, что для получения желаемого выходного напряжения нам необходимо контролировать угол зажигания. Схема управления углом зажигания может использоваться так, чтобы при изменении управляющего сигнала E c угол открытия α 1 и α 2 изменялся таким образом, что он удовлетворял приведенному ниже графику.
Практичный двойной конвертер
Практически мы не можем считать оба преобразователя идеальными преобразователями. Если угол открывания конвертеров установлен таким образом, что ⍺ 1 + ⍺ 2 = 180⁰. В этом состоянии среднее выходное напряжение обоих преобразователей одинаковое по величине, но противоположной полярности. Но из-за пульсаций напряжения мы не можем получить точно такое же напряжение. Таким образом, есть разница мгновенного напряжения на клеммах постоянного тока двух преобразователей, которые производят огромное с током irculating между преобразователями и что будет течь через нагрузку.
Следовательно, в практическом двойном преобразователе необходимо контролировать циркулирующий ток. Есть два режима управления циркулирующим током.
1) Работа без циркулирующего тока
2) Работа с циркулирующим током
1) Работа с двойным преобразователем без циркулирующего тока
В этом типе сдвоенного преобразователя только один преобразователь находится в проводящем состоянии, а другой преобразователь временно заблокирован. Таким образом, одновременно работает один преобразователь и реактор между преобразователями не требуется. В конкретный момент, допустим, преобразователь-1 действует как выпрямитель и обеспечивает ток нагрузки. В этот момент преобразователь-2 блокируется удалением угла зажигания. В режиме инверсии преобразователь 1 блокируется, а преобразователь 2 обеспечивает ток нагрузки.
Импульсы на преобразователь-2 подаются после времени задержки. Время задержки составляет от 10 до 20 мсек. Почему мы применяем время задержки между сменой операции? Это обеспечивает надежную работу тиристоров. Если преобразователь-2 сработает до того, как преобразователь-1 полностью отключится, между преобразователями будет протекать большой циркулирующий ток.
Существует множество схем управления для создания угла зажигания для работы двойного преобразователя без циркуляционного тока. Эти схемы управления предназначены для работы очень сложных систем управления. Здесь одновременно находится только один преобразователь. Следовательно, можно использовать только одну единицу угла стрельбы. Ниже перечислены несколько основных схем.
А) Выбор преобразователя по полярности сигнала управления
Б) Выбор преобразователя по полярности тока нагрузки
C) Выбор преобразователя по управляющему напряжению и току нагрузки
2) Двойной преобразователь с циркулирующим током
Без преобразователя циркулирующего тока требуется очень сложная система управления, а ток нагрузки не является непрерывным. Чтобы преодолеть эти трудности, существует двойной преобразователь, который может работать с циркулирующим током. Ограничение тока реактора подсоединен между клеммами постоянного тока обоих преобразователей. Угол зажигания обоих преобразователей установлен таким образом, чтобы через реактор протекал минимальный циркулирующий ток. Как обсуждалось в идеальном инверторе, циркулирующий ток равен нулю, если 1 + ⍺ 2 = 180.
Допустим, угол включения конвертера-1 составляет 60 °, тогда угол включения преобразователя-2 должен поддерживаться на уровне 120 °. В этой операции преобразователь-1 будет работать как выпрямитель, а преобразователь-2 будет работать как инвертор. Таким образом, в этом режиме работы оба преобразователя одновременно находятся в проводящем состоянии. Если ток нагрузки меняется на противоположное, преобразователь, который работает как выпрямитель, теперь работает как инвертор, а преобразователь, который работает как инвертор, теперь работает как выпрямитель. В этой схеме оба преобразователя проводят одновременно. Итак, требуется два блока генератора угла открытия.
Преимущество этой схемы в том, что мы можем получить бесперебойную работу преобразователя во время инверсии. Время отклика схемы очень быстрое. Нормальный период задержки составляет от 10 до 20 мсек в случае исключения работы без циркулирующего тока.
Недостатком этой схемы является то, что размер и стоимость реактора велики. Из-за циркулирующего тока коэффициент мощности и КПД низкие. Для управления циркулирующим током требуются тиристоры с высокими номинальными токами.
По типу нагрузки используются однофазные и трехфазные сдвоенные преобразователи.
1) Однофазный двойной преобразователь
Принципиальная схема сдвоенного преобразователя показана на рисунке ниже. В качестве нагрузки используется двигатель постоянного тока с независимым возбуждением. Клеммы постоянного тока обоих преобразователей соединены с выводами обмотки якоря. Здесь два однофазных полных преобразователя соединены спиной друг к другу. Оба преобразователя обеспечивают общую нагрузку.
Угол включения конвертера-1 составляет α 1, а α 1 меньше 90˚. Следовательно, преобразователь-1 действует как выпрямитель. Для положительного полупериода (0 <t <π) тиристоры S1 и S2 будут проводить, а для отрицательного полупериода (π <t <2π) будут проводить тиристоры S3 и S4. В этой операции выходное напряжение и ток положительны. Таким образом, эта операция известна как движение вперед, и преобразователь работает в первом квадранте.
Угол включения конвертера-2 составляет 180 - α 1 = α 2 и α 2 больше 90˚. Итак, преобразователь-2 действует как инвертор. В этой операции ток нагрузки остается в том же направлении. Полярность выходного напряжения отрицательная. Следовательно, преобразователь работает в четвертом квадранте. Эта операция известна как рекуперативное торможение.
При обратном вращении двигателя постоянного тока преобразователь 2 действует как выпрямитель, а преобразователь 1 - как инвертор. Угол открытия конвертера-2 α 2 меньше 90˚. Альтернативный источник напряжения питает нагрузку. В этой операции ток нагрузки отрицательный, а среднее выходное напряжение также отрицательное. Следовательно, преобразователь-2 работает в третьем квадранте. Эта операция называется реверсивным движением.
В режиме реверса угол открытия конвертера-1 составляет менее 90 °, а угол включения преобразователя-2 больше 90 °. Таким образом, в этой операции ток нагрузки отрицательный, но среднее выходное напряжение положительно. Итак, преобразователь-2 работает во втором квадранте. Эта операция известна как обратное рекуперативное торможение.
Форма сигнала однофазного сдвоенного преобразователя показана на рисунке ниже.
2) Трехфазный сдвоенный преобразователь
Принципиальная схема трехфазного сдвоенного преобразователя показана на рисунке ниже. Здесь два трехфазных преобразователя соединены спиной друг к другу. Принцип работы такой же, как у однофазного сдвоенного преобразователя.
Так сконструированы двойные преобразователи, и, как уже говорилось, они обычно используются для создания реверсивных приводов постоянного тока или приводов постоянного тока с регулируемой скоростью в приложениях большой мощности.