W3. PRZEKSZTAŁTNIKI SIECIOWE 2 (AC/DC;) Prostowniki tyrystorowe sterowane fazowo; [L2: str ], [L6: str ]

Transkrypt

1 W3. PRZEKSZTAŁTNK SECOWE (AC/DC;) Prostownii tyrystorowe sterowane faowo; [L: str ], [L6: str ] Postawowe cechy prostowniów - ryteria poiału - licba fa - licba pulsów q prąu obiornia w oresie napięcia źróła AC (prostownii, 3, pulsowe) - ierune prepływu prąu w źróle (ułay jeno i wuierunowe) -ierunu prepływu energii - nau mocy - (prostownii - falownii) Roważania oparte bęą na bariej ogłębnej analiie ułaów wu - i trójfaowych pracujących jao prostownii i 3 pulsowe (Rys. 3.1 a,b). Rys.3.1. Postawowe (elementarne) topologie prostowniów a) - faowy wu pulsowy; b) prostowni trójfaowy, trójpulsowy Poobnie ja w prostowniach ioowych w analiie roróżnia się wa stany pracy: pry impulsowym i ciągłym prąie obiornia. W ażym tych stanów możliwa jest praca prostowniowa (energia preaywana o obiornia) i falowniowa (energia preaywana obiornia o obwou napięcia miennego sieci). Problem: Jai jest ares sterowania ątem opóźnienia ałącenia tyrystorów w ależności o roaju obiornia (pasywny R, RL cy atywny RLE) i licby fa? Problem: Kiey może wystąpić praca falowniowa - jai stan obiornia jest oniecny la uysania ustalonej pracy falowniowej? Miecysław Nowa SEP PW mnowa@ee.pw.eu.pl luty 010

2 Rys.3.. Postawowe prebiegi napięć i prąów ilustrujące pracę impulsową prostownia -faowego, - pulsowego: a) =60, =0.88; b) =60, =0.73; c) =60, =0.9; ) =60, =-0.9 Rys.3.3. Postawowe prebiegi napięć i prąów ilustrujące pracę impulsową prostownia 3-faowego, 3- pulsowego: a) =60, =0,44; b) =150, =-0,58 Kąt ałącenia to w prostowniach sterowanych mienna nieależna nastawiana a pomocą tw. sterownia ata i jest olicana la napięcia ażej fa wglęem prejścia sinusoiy napięcia pre ero. W ułaach wielofaowych amiast stosuje się ąt omierany o puntu naturalnej omutacji (patr rys.3.3 a i b). Kąty i powiąane są relacją Miecysław Nowa SEP PW mnowa@ee.pw.eu.pl luty 010

3 0 Teoria Prestałtniów - Kurs elementarny pry cym ąt 0 jest ależny o licby pulsów q [ ( / )/ ] 0 q Postawowe równanie opisujące prebieg prąu w obiorniu: i Lm sin( t ) Lo Roi Eo t postawiając: E o ora o arctg L Lm Ro uysuje się uwiłaną postać rowiąania słusną la impulsowego i ciągłego prąu obiornia: i ( t) R Lm o cos sin( t 0 cos sin( ) W roe rowiąania numerycnego można wynacyć wartość ąta wyłącenia w ora ąta prewoenia - = w.-. Pry prąie impulsowym p =0 Pry prejściu o prewoenia ciągłego obowiąuje to samo równanie uwglęnieniem wartości pocątowej p. W ułaie prostownia występuje omutacja, pry cym pry pomijalnie małej inucyjności źróła asilania (L s 0) omutacja jest natychmiastowa - tn. w casie ążącym o era a prą obiornia w ażym aworów olejnej fay narasta o 0 o atualnej wartości i soowo. Pry prewoeniu impulsowym omutacja ocywiście nie występuje. Śrenie napięcie obiornia pry prewoeniu impulsowym oreśla wór: ( AV ) Po rowiąaniu q w Lm sin tt q Lmq (cos cosw ) E / q w E t o (1 q ( ) ( AV ) o w Zares mian ąta ależy o wartości. Pry prewoeniu impulsowym obowiąuje ależność: arcsin arcsin p e t tg Miecysław Nowa SEP PW mnowa@ee.pw.eu.pl luty 010

4 W prostowniach więsej mocy e wglęów energetycnych (wyorystanie aworów, sprawność) i la minimaliacji THD prąu ąży się o tego by uła w ja najsersym aresie pracował pry prewoeniu ciągłym. Wymaga to oboru ostatecnie użej inucyjności L i ołącenia oatowego ławia na wyjściu. Napięcie śrenie pry prewoeniu ciągłym jest oreślone worem ( AV ) q / q Lm sintt Lm q cos cos q Dięi wprowaeniu ąta efiniowanego ja wyżej wór ten aje się sprowaić o postaci lasycnej la prostowniów sterowanych q L( RMS ) sin cos 0 q ( AV ) cos pry cym 0 - wartość śrenia napięcia wyjściowego pry =0 ; 0 = K p L(RMS) gie K p - współcynni prostowania ależny o ułau prostownia, L(RMS) wartość sutecna napięcia linii asilającej. Rys.3.4. ealna charaterystya sterowania prostowniów Miecysław Nowa SEP PW mnowa@ee.pw.eu.pl luty 010

5 Teoretycny ares mian ąta arówno w 1 ja i 3-faowych prostowniach jest możliwy pry prewoeniu ciągłym i pry ącie omutacji blisim eru. Problem: Jaą wartość śrenią masymalną napięcia wyjściowego (la =0) można uysać prostownia, 3 i 6 pulsowego - jenoierunowego? Komutacja w prostowniach sterowanych. [ L1: str 73-88] Pry ciągłym prąie obiornia występuje jawiso omutacji prąu pomięy aworami olejno prewoących fa wyniające obecności inucyjności w obwoie prąu miennego (inucyjność roprosenia transformatora i linii asilającej). Prebiegi napięcia i prąu w warunach prąu ciągłego w :ułaie i 3 pulsowym prestawione na rys. 3.5 ilustrują jawiso omutacji. Kąt omutacji onacono na nich jao. Rys.3.5. Pryłaowe prebiegi napięć i prąów uwglęniające omutację w prostowniu -pulsowym (a) i 3- pulsowym (b) Pry analiie jawisa omutacji posługuje się schematem astępcym obwou, w tórym ona achoi. Opowiaa on schematowi rys.3.6. Miecysław Nowa SEP PW mnowa@ee.pw.eu.pl luty 010

6 Rys.3.6. Schemat astępcy obwou omutacji wóch fa Problem: Jaie napięcie występuje na wyjściu prestałtnia w casie omutacji w prestałtniu -pulsowym, -pulsowym mostowym, 3-pulsowym? W moelu pryjęto, że reystancja w obwoie omutacji jest o pominięcia; inucyjności omutacyjne są ;równe L s1 = L s a obwó obciążenia ma uwagi na wielą inucyjność charater źróła prąu -. Postawowe równanie różnicowe u L it it1 ( t) Ls ul 1( t) Ls 1 0 t t Po wpływem napięcia omutacyjnego u (t) = u L (t)-u L1 (t) w ocu pojawia się prą omutacyjny tóry opowiaa narastaniu prąu (i T ) w jenym awore (wstępującym) i mniejsaniu się prąu (i T1 ) rugim (stępującym) Ponieważ obowiąuje: i T1 + i T = = const. ora i T = i równanie uprasca się o postaci : u ( t) m sin( t ) L Rowiąanie ma postać i m ( t) (cos cost) L Repreentację graficną taiego rowiąania prestawiono na rys.3.7 i t Miecysław Nowa SEP PW mnowa@ee.pw.eu.pl luty 010

7 Rys3.7. Graficna interpretacja rowiąania prebiegu prąu omutacyjnego i i pryłaowe prąy omutujących tyrystorów pry prąie obiornia i ątach =0 i =90 Do ołanego wynacenia ąta omutacji może posłużyć ależność: są m i u ( t) t cos cos( ) L t L arccos(cos L ) m Problem: O cego ależy ąt omutacji. Ja wygląa preentacja graficna ależność wglęem postawowych parametrów? Komutacja achoąca w casie opowiaającym ątowi omutacji powouje mniejsenie wartości śreniej napięcia wyjściowego. Obrauje to rys.3 8 stanowiący fragment rys. 3.5.b.Napięcie tóre występuje na wyjściu prestałtnia w casie omutacji jest równe napięciu fay wstępującej pomniejsone o ½ napięcia omutacyjnego np. u () = u L (t)- [(u L (t)-u L1 (t))/] = (u L (t)+u L1 (t))/ Miecysław Nowa SEP PW mnowa@ee.pw.eu.pl luty 010

8 Rys.3.8. lustracja procesu omutacji w prostowniu 3- pulsowym Strata napięcia wywołana pojeyncą omutacją - powierchnia jenego wrębu : ( t) 1 t t t u ( t) L Dla oblicenia wartości śreniej straty napięcia treba scałować a ores co prowai o woru : q ( AV ) L qfl T a napięcie śrenie wyjściowe jest ależne o omutowanego prąu obiornia ta ja to prestawia charaterystya rys.3.9. Rys.3.9 Charaterystyi ewnętrne (obciążenia) prostownia sterowanego Miecysław Nowa SEP PW mnowa@ee.pw.eu.pl luty 010

9 Znajomość wartości ąta omutacji jest ważne w prypau pracy falowniowej prostownia pry ątach bliżających się o 180 el. Problem ilustruje rejestracja prebiegów prąów i napięć prestawiona na rys Prestawione jawiso preentuje utratę ontroli na prostowniiem i tw. prewrót falowniowy Rys Prebiegi ilustrujące jawiso prewrotu falowniowego : pry ącie a=150 el na sute prerocenia pre ąt omutacji wartości 30 wyniające namiernego prąu obiornia erwana ostaje omutacja, napięcie wyjściowe falownia maleje a prą sybo wrasta. Na postawie wartości ąta omutacji max wynaconego pry masymalnym prąie można apisać warune na ąt max bepiecnej pracy falownia max 180 o max gie - ąt opowiaający casowi wyłącania tyrystorów (wyle el). Moc transformatora sieciowego - moc instalowana Transformatory asilające prostownii sieciowe ioowe i tyrystorowe pracują pry ostałconych prebiegach prąu co onaca że ich moc obliceniowa jest więsa o mocy wymagana o pracy pry sinusoialnych prąach. Problem ostanie prestawiony na pryłaie transformatora 1-faowego ja na rys.3.11 Miecysław Nowa SEP PW mnowa@ee.pw.eu.pl luty 010

10 Rys Schemat prostownia transformatorem - pryła analiy mocy transformatora W pryłaie pryjęto że transformator ma prełanię /1= a prą obiornia jest wygłaony i ma wartość. Moc obiornia P = (AV) Moc obliceniowa transformatora S T jest efiniowana jao wartość śrenia mocy uwojenia pierwotnego i wtórnego: Moc uwojenia pierwotnego S 1 1( RMS ) 1( RMS ) 1( RMS ) ( RMS ) Moc uwojenia wtórnego (obywu secji ) : S ( RMS ) ( RMS ) ( RMS ) Ponieważ pomięy napięciem śrenim wyprostowanym i sutecnym strony wtórnej występuje relacja (RMS) = (/) (AV) można apisać 1 1 ST ( S1 S ) ( AV ) 1, 3P W poanym pryłaie moc obliceniowa transformatora jest o 3% więsa o mocy obiornia prąu stałego. Problem: Jaą moc poorną wglęem mocy prąu stałego ma transformator asilający moste jeno i trójfaowy Miecysław Nowa SEP PW mnowa@ee.pw.eu.pl luty 010

11 Moc w ułaach prestałtniowych - współcynni mocy [L1: str ] Prestałtnii sieciowe wseliego roaju wpływają na sieć energetycną, powoując więsone apotrebowanie na moc ainstalowaną tej sieci i aburając waruni pracy innych bliżsych i alsych obiorniów. Dla oceny tego oiaływania oniecne jest oonanie analiy i wyielenie słaniów mocy. Moc w obwoie prąu stałego - moc użytecna: P Moc poorna pobierana sieci: S L ( RMS ) L( RMS ) Pryjmuje się, że napięcie sieci L jest sinusoialne - nieostałcone Prą sutecny ostałcony Lrms L1 n Ln Dla potreb ogoniejsej interpretacji wygonie jest posługiwać się wyrażeniem na warat mocy poornej: S L ( L1 n Ln ) Wprowaając jeynę trygonometrycną ( L1 = ( L1 sin) + ( L1 cos) ) wór na warat mocy poornej można sprowaić o postaci: S P Wór ten jest interpretowany geometrycnie jao prostopałościan o preątnej S i boach P, Q i D gie: P L 1L cos - moc cynna, Q L 1L sin - moc bierna presunięcia faowego, D L Ln - moc eformacji n Q D Miecysław Nowa SEP PW mnowa@ee.pw.eu.pl luty 010

12 Współcynni mocy jest efiniowany jao stosune mocy cynnej o poornej a po uwglęnieniu powyżsych relacji gie L1 g LRMS P S g cos - współcynni eformacji ; cos - współcynni presunięcia faowego 1-sej harmonicnej prąu wgl. napięcia. Problem: Jaa jest relacja pomięy współcynniiem eformacji g a współcynniiem THD? Problem: Dlacego współcynni cos inucyjny jest scególnie nieorystny la systemu energetycnego i jaie są postawowe metoy jego poprawy? Problem: Jaa jest postawowa prycyna eformacji napięcia w sieciach energetycnych i lacego wyżse harmonicne występujące w napięciu sieci są soliwe a ich wartość musi być ogranicona o oreślonego pre normy poiomu? Problem: Jai wiąe występuje pomięy licbą pulsów prestałtnia o omutacji sieciowej a współcynniiem eformacji g wywoływanym w prąie pobieranym sieci? Problem: Jaie metoy są stosowane la poprawy współcynnia eformacji w sieci asilającej prestałtnii i inne obiornii nieliniowe Miecysław Nowa SEP PW mnowa@ee.pw.eu.pl luty 010