Teoria Przekształtników - Kurs elementarny

Transkrypt

1 W. PRZEKSZTAŁTNIKI SIECIOWE 1 ( AC/DC; AC/AC) Ta wielka grupa przekształtników swą nazwę wywozi z tego, że są one ołączane bezpośrenio o sieci lub systemu energetycznego o napięciu przemiennym 50/60 Hz i w ominującej liczbie przypaków służą o pobierania energii z tego systemu na potrzeby jenego lub grupy obiorów. W niektórych przypakach jest konieczne zwracanie energii z obiorników o sieci i opowienie rozaje przekształtników tzw. wukierunkowych ają takie możliwości. Przestuiowanie charakterystycznych ukłaów współpracujących z siecią a okazję o poznania zaganień związanych z tą grupą. Następujące reprezentatywne przekształtniki w wersji 1 i 3 fazowej bęą omówione na wykłaach W i W3: prostowniki ioowe niesterowane sterowniki napięcia przemiennego prostowniki tyrystorowe sterowane fazowo Nato bęą rozpatrzone następujące zaganienia: proces komutacji i jego wpływ na właściwości przekształtnika oziaływanie przekształtników na sieć - współczynnik mocy moc pozorna moc instalowana PROSTOWNIKI DIODOWE (NIESTEROWANE) [6: str ] Prostownik 1- fazowy Analizowane są ukłay jak na rys..1. Praca przy obiorniku E(R0) opowiaa typowym warunkom pracy np. zasilacza z użym konensatorem filtrującym. Rys..1. Schematy jenofazowych wupulsowych prostowników a) ukła z powójnym (wufazowym*) źrółem b) ukła mostkowy Problem: Jak zrealizować źróło wufazowe za pomocą transformatora wielouzwojeniowego? Problem: W jakich zastosowaniach ukła z rys..1 a ma przewagę na ukłaem mostkowym (Rys..1.b) Mieczysław Nowak ISEP-PW mnowak@ee.pw.eu.pl luty 010

2 E O t 1 t 3 Rys... Przebiegi napięcia i prąu obiornika w ukłazie wg. rys 1.a w warunkach impulsowego prąu a) Praca przy E (Ro0) Przy impulsowym prązie obiornika obowiązują następujące równania ( t) sin t 1 m io o 1( t) Eo t m Eo io ( t) (cos t) ( t ) o o W stanie ustalonym napięcie śrenie na inukcyjności jest równe 0 1/ t3 t1 u ( t) t i( t3) i( t1) i 0 gzie t 1 czas przejścia ioy o przewozenia, t 3 czas wyłączenia ioy przy czym t 1 = arccos (E o / m ). Wartość śrenia prąu obiornika jest związana z wartością napięcia wewnętrznego obiornika zależnością m m Eo I o( AV ) (1 cos ) o Eo gzie = (t 3 -t 1 ) m Najmniejsza opuszczalna wartośc napięcia E o w tym trybie pracy jest równa wartości sreniej przy prostowaniu pełnookresowym (granica impulsowego i ciągłego prąu obiornika) T T / 0 l1m sintt l1( RMS ) 0, 9 l1( RMS ) Mieczysław Nowak ISEP-PW mnowak@ee.pw.eu.pl luty 010

3 b) Praca przy C (filtr wyjściowy - najczęstsze zastosowanie prostownika jako zasilacza DC ) Rozwiązanie równań: u r i Rys..3. Prostownik jenofazowy z konensatorem filtrującym i t u Postać macierzowa zmiennych stanu: x Ax by Rozwiazanie przy pomocy integratorów t i u 1 1 C 0 t 0 ( u ( i r i i u ) t R C u u... t R u ) t rozwiązywane la i >0. Przykłaowe rozwiązanie la wybranych parametrów poano na rys..4. Mieczysław Nowak ISEP-PW mnowak@ee.pw.eu.pl luty 010

4 Rys..4. Przykłaowe przebiegi wyznaczone la obwou na rys..4 Przy pomocy symulatora la poanego przykłau zostało wyznaczone spektrum harmonicznych prąu wejściowego (prąu linii zasilającej). Zaprezentowano je na rys.. 5 Rys..5. Wykres spektralny przebiegu prąu liniowego z przykłau la rys..4. Przykłaowe wyliczenie parametrów la poanego przykłau: Amlitua 1 harmonicznej prąu la anych z rys..4 i.5 I 1m = 3,05 A. Wartość skuteczna tej harmonicznej I 1RSM =I 1m / =,15A. Wartośc skuteczna całkowitego prąu I RSM =.95A. Na postawie wzoru z W1 wyznaczono wartość THD la przykłaowego przebiegu prąu THD,95,15,15 100% 93,9% Problem: Dlaczego przewozenie impulsowe w obiorniku jest opuszczalna tylko przy niewielkiej jego mocy? Problem: Do jakiej wartości ząża napięcie śrenie na wyjściu filtru pojemnościowego jeżeli wartość śrenia prąu ąży o zera? Mieczysław Nowak ISEP-PW mnowak@ee.pw.eu.pl luty 010

5 c) Praca z użą inukcyjnością i ciągłym prąem obiornika. W ukłaach wielkiej mocy przekształtnik ioowy nie powinien pracować przy impulsowym prązie obiornika aby zapewnić akceptowalne wartości współczynnika THD i mniejsze wartości mocy pozornej (zainstalowanej) przekształtnika. Wymaga to zwiększenia inukcyjności w obwozie obiornika przez oanie ławika. Przebieg prąu linii w przypaku granicznym gy = ma formę symetrycznej fali prostokątnej. Amplitua postawowej harmonicznej la tego przypaku wyznaczona zgonie z wzorami na skłaniki Fouriera ma wartość (4/) I a wartość skuteczna (/)I Wartość skuteczna la iealnej prostokątnej symetrycznej fali prąu jest równa I. Wartość THD la tego iealnego przypaku: THD I I I 100% 48,43% jest wukrotnie lepsza niż w poprzenim przykłazie Prostownik 3 fazowy mostkowy W ukłaach o mocy powyżej 1 kw stosuje się z zasay prostowniki trójfazowe. Postawowy schemat poano na rys..6. Rys..6. Schemat trójfazowego prostownika ioowego Problem: Jak są uszeregowane przeziały przewozenia la poszczególnych io mostka? Czy poany sposób numeracji io la mostków trójfazowych jest uzasaniony? Problem: Jakie napięcie wsteczne występuje na każej z io mostka trójfazowego w przypaku gy skuteczna wartość napięcia fazowego wynosi Mieczysław Nowak ISEP-PW mnowak@ee.pw.eu.pl luty 010

6 Rys..7. Prąy i napięcia oraz spektrum harmonicznych la przypaku małej inukcyjności Rys...8. Prąy i napięcia oraz spektrum harmonicznych la przypaku użej inukcyjności Przebiegi prąów i napięć la impulsowego ( małe) i ciągłego wygłazonego ( uże) prąu wyjściowego z 3-fazowego mostka przestawiono na rysunku.7 i.8. Na tych samych rysunkach przestawiono opowienie wykresy spektrum. Wartość śrenia napięcia wyjściowego w trójfazowym prostowniku ioowym przy założeniu ciągłego prąu wyjściowego ( AV ) 6 T T /1 T /1 3 l1 cos tt 3 Mieczysław Nowak ISEP-PW mnowak@ee.pw.eu.pl luty

7 W przypaku gy z uwagi na niewielką inukcyjność w obwozie prą ma charakter impulsowy napięcie może być nieco większe. ( wartośc max: 6 lrms ) Przykłaowa yskusja parametrów prąu sieci: a) Niewielka inukcyjność - przewozenie impulsowe Ten przypaek jest zobrazowany na rys.. 7. W przykłazie wyznaczono:: Amlitua 1 harmonicznej prąu I 1m = 1,59A Wartość skuteczna 1 harmonicznej (I 1RSM =I 1m / = 8,9A). Wartośc skuteczna prąu całkowitego I RSM = Wartość THD la przykłaowego przebiegu prąu z rys.. 7 1,44 8,9 THD 100% 8,9 THD = 97.6 b) Duża inukcyjność - przewozenie ciągłe. Dla przypaku granicznego gy ąży o wartość skuteczna prąy w linii (prąu wejściowego) i wartość skuteczna pierwszej harmonicznej prąu przy prązie iealnie wygłazonym są określane wzorami; I( RMS ) I I 3 Dla tego przypaku iealnego wygłazenia prąu THD = 30,8% 6 I... 1( RMS ) I 0. 78I Problem: Czy w prostowniku małej mocy przewizianym o pracy przy prązie impulsowym funkcję ławika może spełniać inukcyjność obwou zasilającego (linii, transformatora)? Problem: Jaka jest częstotliwość tętnień napięcia i prąu stałego na wyjściu ukłau mostka 1-fazowego i mostka 3-fazowego. Problem: Jak w przypaku użego ławika zapewniającego obre wygłazenie prąu stałego kształtują się przebiegi prąu w linii zasilającej z uwagi na inukcyjność s w obwozie napięcia przemiennego? Czy jej obecność wpływa na zmniejszenie zawartości harmonicznych w prązie pobieranym z linii? Mieczysław Nowak ISEP-PW mnowak@ee.pw.eu.pl luty 010

8 STEROWNIKI NAPIĘCIA PRZEMIENNEGO (AC/AC): [: str 88-16], [4: str ] Sterowniki jenofazowe: Sterowniki tego rozaju są stosowane o nastawiania mocy czynnej obiorników typu rezystancyjnego stosowanych głównie o grzania. Możliwe jest sterowanie fazowe kąta załączenia tyrystorów w każym półokresie napięcia a także załączanie obciążenia przy wybranej liczbie pełnych półfal napiecia w określonym cyklu pracy ( tzw. sterowanie pakietowe). Inne zastosowania otyczy sterowania prąu inukcyjnego w kompensatorach mocy biernej. Wtey obiornik ma charakter czysto inukcyjny. Postawowy ukła przy obiorniku R przestawiono na rys..9. Przebiegi prąu i napięcia przy różnych kątach z przestawiono na rys..10 Rys.. 9. Schemat 1-fazowego sterownika napięcia Problem: Czy i jak przy pomocy 1 tyrystora i zestawu io zrealizować łącznik o sterownika napięcia i prąu przemiennego? Problem:? Jakie zastosowanie ma sterownik prąu przemiennego obciążony ławikiem? Postawowe równanie: i Ri( t) m sin( t z ) t ma rozwiązanie w postaci ogólnej: i( t) R m ( ) (sin( t ) sin( ) e z t z tg gzie: z - kąt opóźnienia załączenia tyrystorów, = arctg(/r) ) Mieczysław Nowak ISEP-PW mnowak@ee.pw.eu.pl luty 010

9 Rys..10 Przebiegi prąu obiornika przy różnych kątach załączania tyrystorów la przypaku obciążenia rezystancyjnego (a) i inukcyjnego (b) A Przypaek obciążenia rezystancyjnego Postawowe wielkości wymagające wyznaczenia: - Śreni prą tyrystora: I R (1 cos ) T ( AV ) z - Wartość skuteczna napięcia obiornika: O( RMS ) RMS z 1 sin z Problem: Wyznaczyć w sposób przybliżony lub okłanie charakterystyki sterowania wartości śreniej prąu w tyrystorach i wartości skutecznej napięcia obiornika. Do czego takie charakterystyki są użyteczne? B Przypaek obciążenia inukcyjnego - sterownik prąu biernego - stosowany w kompensatorach. i o t 1 m ( t) m sintt (cos z cost) z Prą śreni tyrystora w tym przypaku : m IT ( AV ) (cosz ( w z ) sinz ) Mieczysław Nowak ISEP-PW mnowak@ee.pw.eu.pl luty 010

10 Problem: Jaki zakres sterowania kątem załączenia jest niezbęny la obiornika typu R o kącie mocy? Problem. Dlaczego przy sterowaniu mocą w obiornikach typu grzejnik chętniej stosuje się sterowanie pakietowe o sterowania fazowego. Sterowniki 3-fazowe: Sterowniki trójfazowe są stosowane gównie jako ukłay kontroli i ograniczenia prąu rozruchowego maszyn inukcyjnych (tzw. miękki rozruch - soft-start ) i z tego wzglęu moel ich obciążenia to trójfazowy symetryczny obwó RE. W uproszczonej analizie posłużyć może obwó R. jak na schemacie z rys..11. Rys..11. Schemat trójfazowego sterownika Przy wyznaczaniu napięć i prąów obiornika w przypaku ukłau bez przewou neutralnego należy uwzglęnić fakt, że przewozą łączniki bąź w bąź w 3 fazach. Oznacza to że na impeancji 1 fazy obiornika pojawiają się napięcia fazowe lub ½ napięcia przewoowego. Problem: Czy przy obiorniku trójfazowym symetrycznym przy sterowaniu fazowym przez przewó neutralny bęzie płyną prą. Które harmoniczne płyną przez przewó neutralny. Co stanie się jeżeli takiego przewou nie bęzie. Mieczysław Nowak ISEP-PW mnowak@ee.pw.eu.pl luty 010