W3. PRZEKSZTAŁTNIKI SIECIOWE 2 ( AC/DC;)

Transkrypt

1 W3. PRZEKSZTAŁTNK SECOWE ( AC/DC;) PROSTOWNK STEROWANE [L: str ], [L6: str ] (prostowniki tyrystorowe sterowane fazowo) Postawowe cechy prostowników - kryteria poziału - liczba faz - liczba pulsów prąu obiornika w okresie napięcia źróła AC (prostowniki, 3, pulsowe ) - kierunek przepływu prąu w źróle ( ukłay jeno i wukierunkowe ) -kierunku przepływu energii - znaku mocy - ( prostowniki - falowniki) Rozważania oparte bęą na barziej ogłębnej analizie ukłaów wu - i trójfazowych pracujących jako prostowniki 1 i 3 - pulsowe. Rys.3.1. Postawowe ( elementarne) topologie prostowników a) - fazowy wu pulsowy; b) prostownik trójfazowy, trójpulsowy Poobnie jak w prostownikach ioowych w analizie rozróżnia się wa stany pracy: przy impulsowym i ciągłym prązie obiornika. W każym z tych stanów możliwa jest praca prostownikowa (energia przekazywana o obiornika) i falownikowa ( energia przekazywana z obiornika o obwou napięcia zmiennego sieci). Problem: Jaki jest zakres sterowania prostownika w zależności o rozaju obiornka (pasywny R, RL czy aktywny RLE) i liczby faz. Problem: Kiey może wystąpić praca falownikowa - jaki stan obiornika jest konieczny la uzyskania ustalonej pracy falownikowej Mieczysław Nowak SEP PW mnowak@ee.pw.eu.pl luty/marzec 005

2 Rys.3.. Postawowe przebiegi napięć i prąów ilustrujące pracę impulsową prostownika -fazowego, - pulsowego: a) ϑz60, ε0.88; b) ϑz60, ε0.73; c) ϑz60, ε0.9; ) ϑz60, ε-0.9 Rys.3.4. Postawowe przebiegi napięć i prąów ilustrujące pracę impulsową prostownika 3-fazowego, 3- pulsowego: a) ϑ z 60, ε0,44; b) ϑz150, ε-0,58 Kąt załączenia ϑ z to w prostownikach sterowanych zmienna niezależna nastawiana za pomocą tzw. sterownika kata i jest oliczana la napięcia każej z faz wzglęem przejścia sinusoiy napięcia przez zero. W ukłaach wielofazowych zamiast ϑ z stosuje się kąt α omierzany o punktu naturalnej komutacji ( patrz rys. a i b). Kąty α i ϑ z powiązane są relacją α ϑ z przy czym kąt ϑ z jest zależny o liczby [ ϑ 1/ ( π π / ) ] ϑ 0 0 Mieczysław Nowak SEP PW mnowak@ee.pw.eu.pl luty/marzec 005

3 Postawowe równania la obwou prąu w : i Lm sin( ωt + ϑz ) Lo + Roi + Eo t E postawiając: o ωlo ε ; Θ arctg Lm Ro uzyskuje się uwikłaną postać rozwiązania słuszną la impulsowego i ciągłego prąu obiornika: ωt Lm tgθ i ( t) [ cosθ sin( ω t + ϑz Θ0 ε ] [ cosθ sin( ϑz Θ) ε p ] e Ro W roze rozwiązania numerycznego można wyznaczyć wartość kąta wyłączenia ϑ w oraz kąta przewozenia - λ ϑ w.- ϑ z Przy przejściu o przewozenia ciągłego obowiązuje to samo równanie z uwzglęnieniem wartości początkowej - p. W ukłazie prostownika występuje komutacja przy czym przy pomijalnie małej inukcyjności źróła zasilania ( Ls 0) komutacja jest natychmiastowa - tzn. w czasie ążącym o zera. Przy przewozeniu impulsowym komutacja oczywiście nie występuje a prą obiornika w każym z zaworów kolejnej fazy narasta o 0 o aktualnej wartości i skokowo. Śrenie napięcie obiornika przy przewozeniu impulsowym: ( AV ) π ϑ ϑ w z Lm sin ωtωt + π ϑ + π / z ϑ w E ωt Po rozwiązaniu Lm ( AV ) (cosϑ z cosϑw ) + Eo (1 + ( ϑz ϑw) π π Zakres zmian kąta ϑ z zależy o wartości ε. Przy przewozeniu impulsowym obowiązuje zależność: arcsinε ϑ z π arcsinε W prostownikach większej mocy ze wzglęów energetycznych i la minimalizacji THD prąu ąży się o tego by ukła w jak najszerszym zakresie pracował przy przewozeniu ciągłym. Wymaga to oboru ostatecznie użej inukcyjności L i ołączenia oatkowego ławika na wyjściu. Napięcie śrenie przy przewozeniu ciągłym jest określone wzorem o Mieczysław Nowak SEP PW mnowak@ee.pw.eu.pl luty/marzec 005

4 ϑ z + π / π ( AV ) Lm sin ωtωt Lm cosϑz cos ϑz + π π ϑz Dzięki wprowazeniu kąta α zefiniowanego jak wyżej wzór ten aje się sprowazić o postaci klasycznej la prostowników sterowanych π ( AV ) L( RMS) sin cosα 0 π cosα przy czym 0 - wartość śrenia napięcia wyjściowego przy α 0 ; 0 K p L(RMS) gzie K p - współczynnik prostowania zależny o ukłau prostownika Rys.4. ealna charakterystyka sterowania prostowników Teoretyczny zakres zmian kąta α ( ) zarówno w 1 jak i 3-fazowych prostownikach jest możliwy przy przewozeniu ciągłym i przy kącie komutacji bliskim zeru. Pytanie: Jaką wartość śrenią maksymalną napięcia wyjściowego (la α0) można uzyskać z prostownika, 3 i 6 pulsowego - jenokierunkowego Komutacja w prostownikach sterowanych. [ L1: str 73-88] Mieczysław Nowak SEP PW mnowak@ee.pw.eu.pl luty/marzec 005

5 Przy ciągłym prązie obiornika występuje zjawisko komutacji prąu pomięzy zaworami kolejno przewozących faz wynikające z obecności inukcyjności w obwozie prąu zmiennego (inukcyjność rozproszenia transformatora i linii zasilającej). Przebiegi napięcia i prąu w warunkach prąu ciągłego w :ukłazie i 3 pulsowym przestawione na rys. 5 ilustrują zjawisko komutacji Rys.5. Przykłaowe przebiegi napięć i prąów uwzglęniające komutację w prostowniku -pulsowym (a) i 3- pulsowym (b) Przy analizie zjawiska komutacji posługuje się schematem zastępczym obwou w którym ona zachozi. Opowiaa on schematowi z rys. 6. Rys.3.6. Schemat zastępczy obwou komutacji wóch faz Problem: Jakie napięcie występuje na wyjściu przekształtnika w czasie komutacji w przekształtniku -pulsowym, -pulsowym mostkowym, 3-pulsowym Mieczysław Nowak SEP PW mnowak@ee.pw.eu.pl luty/marzec 005

6 W moelu przyjęto, że rezystancja w obwozie komutacji jest o pominięcia; inukcyjności komutacyjne są ;równe L s1 L s a obwó obciążenia ma z uwagi na wielką inukcyjność charakter źróła prąu -. Postawowe równanie różniczkowe it it 1 ul ( t) Ls ul1( t) + Ls 1 0 t t Po wpływem napięcia komutacyjnego u k (t) u L (t)-u L1 (t) w oczku pojawia się prą komutacyjny który opowiaa narastaniu prąu (i T ) w jenym zaworze (wstępującym) i zmniejszaniu się prąu ( i T1 ) rugim (zstępującym) Ponieważ obowiązuje: i T1 + i T const. oraz i T i k równanie upraszcza się o postaci : ik u k ( t) km sin( ωt + α) Lk t Rozwiązanie ma postać km ik ( t) (cosα cosωt) Lkω Reprezentację graficzną takiego rozwiązania przestawiono na rys.7 Rys.7. Graficzna interpretacja rozwiązania przebiegu prąu komutacyjnego ik i przykłaowe prąy komutujących tyrystorów przy prązie obiornika i kątach α0 i α90 Do okłanego wyznaczenia kąta komutacji może posłużyć zależność: Mieczysław Nowak SEP PW mnowak@ee.pw.eu.pl luty/marzec 005

7 α + µ α + µ km i uk( t) α ską k [ cosα cos( α + µ )] Lk ωt Lk ω µ arccos(cos α ωl ) α k km α Pytanie: O czego zależy kąt komutacji. Jak wygląa prezentacja graficzna zależność µ wzglęem postawowych parametrów? Komutacja zachoząca w czasie opowiaającym kątowi komutacji µ powouje zmniejszenie wartości śreniej napięcia wyjściowego. Obrazuje to rys.3 8 stanowiący fragment z rys. 3.5.b.Napięcie które występuje na wyjściu przekształtnika w czasie komutacji jest równe napięciu fazy wstępującej pomniejszone o ½ napięcia komutacyjnego np. u (k) u L (t)- [(u L (t)-u L1 (t))/] (u L (t)+u L1 (t))/ t Rys.3.8. lustracja procesu komutacji w prostowniku 3- pulsowym - strata napięcia Strata napięcia wywołana pojeynczą komutacją - powierzchnia jenego wrębu : t + tk 1 k( tk) uk ( t) Lk t Dla obliczenia wartości śreniej straty napięcia trzeba scałkować za okres co prowazi o wzoru : k( AV ) Lk flk T Mieczysław Nowak SEP PW mnowak@ee.pw.eu.pl luty/marzec 005

8 a napięcie śrenie wyjściowe jest zależne o komutowanego prąu obiornika tak jak to przestawia charakterystyka z rys.3.9. Rys.3.9 Charakterystyki zewnętrzne (obciążenia) prostownika sterowanego Znajomość kąta komutacji jest ważnym zaganieniem w przypaku pracy falownikowej prostownika przy kątach zbliżających się o 180 el. Problem ilustruje rejestracja przebiegów prąów i napięć przestawiona na rys Rys Przebiegi ilustrujące zjawisko przewrotu falownikowego : przy kącie a150 el na skutek przekroczenia przez kąt komutacji wartości 30 wynikające z namiernego prąu obiornika zerwana zostaje komutacja, napięcie wyjściowe falownika maleje i prą szybko wzrasta. Wynika stą warunek na kąt bezpiecznej pracy falownika α 180 o µ γ max gzie γ - kąt opowiaający czasowi wyłączania tyrystorów - zwykle el. max Mieczysław Nowak SEP PW mnowak@ee.pw.eu.pl luty/marzec 005

9 Moc transformatora sieciowego - moc instalowana Transformatory zasilające prostowniki sieciowe ioowe i tyrystorowe pracują przy okształconych przebiegach prąu co oznacza że ich moc obliczeniowa jest większa o mocy uzyskiwanej przy sinusoialnych prąach. Problem zostanie przestawiony na przykłazie transformatora 1-fazowego jak na rys.3.11 Rys Schemat prostownika z transformatorem - przykła analizy mocy transformatora W przykłazie przyjęto że transformator ma przekłanię /1η a prą obiornika jest wygłazony i ma wartość. Moc obiornika P (AV) Moc obliczeniowa transformatora S T jest efiniowana jako wartość srenia mocy uzwojenia pierwotnego i wtórnego: Moc uzwojenia pierwotnego S η 1 1( RMS ) 1( RMS ) 1( RMS ) ( RMS ) Moc uzwojenia wtórnego ( powójnego) : S ( RMS ) ( RMS ) ( RMS ) Ponieważ pomięzy napięciem śrenim wyprostowanym i skutecznym strony wtórnej występuje relacja (RMS) (π/ ) (AV) można zapisać 1 1 ST ( S S ) π π 1 + ( AV ) 1, 3P + W poanym przykłazie moc obliczeniowa transformatora jest o 3% większa o mocy obiornika prąu stałego. Pytanie: Jaką moc pozorną wzglęem mocy prąu stałego ma transformator zasilający mostek jeno i trójfazowy Mieczysław Nowak SEP PW mnowak@ee.pw.eu.pl luty/marzec 005

10 Moc w ukłaach przekształtnikowych - współczynnik mocy [L1: str ] Przekształtniki sieciowe wszelkiego rozaju wpływają na sieć energetyczną, powoując zwiększone zapotrzebowanie na moc zainstalowaną tej sieci i zaburzając warunki pracy innych bliższych i alszych obiorników. Dla oceny tego oziaływania konieczne jest okonanie analizy i wyzielenie skłaników mocy. Moc w obwozie prąu stałego - moc użyteczna: P Moc pozorna pobierana z sieci: S L ( RMS ) L( RMS ) Przyjmuje się, że napięcie sieci L jest sinusoialne - nieokształcone Prą skuteczny okształcony Lrms L1 + Ln n Dla potrzeb ogoniejszej interpretacji wygonie jest posługiwać się wyrażeniem na kwarat mocy pozornej: S L ( L1 + Ln ) n Wprowazając jeynkę trygonometryczną L1 ( L1 sinϕ) + ( L1 cosϕ) wzór na kwarat mocy pozornej można sprowazić o postaci: S P + Q + D - ten wzór jest interpretowany geometrycznie jako prostopałościan o przekątnej S i bokach P, Q i D gzie P L 1L cosϕ - moc czynna, Q sin L 1L ϕ - moc bierna przesunięcia fazowego, D L Ln - moc eformacji Współczynnik mocy jest zefiniowany jako a po uwzglęnieniu powyższych relacji gzie L1 g LRMS n λ λ P S g cosϕ g - współczynnik eformacji ; cosϕ - współczynnik przesunięcia. Mieczysław Nowak SEP PW mnowak@ee.pw.eu.pl luty/marzec 005