Основные параметры схем выпрямления

Для оценки схем выпрямления в целом используют следующие параметры:

1. Гармонический состав кривой выпрямленного напряжения оценивается коэффициентом пульсаций К_П

,

где U_νm – амплитуда ν-ой гармонической составляющей;

U_d – среднее значение выпрямленного напряжения.

2. Гармонический состав кривой первичного тока, характеризуемый коэффициентом искажения К_и, равным отношению действующих значений основной гармоники и полного тока первичной обмотки.

.

3. Коэффициент гармоники К_Г, равный отношению действующего значения гармоник к основной гармонике тока.

4. Внешняя и регулировочная характеристики. α - угол управления.

5. Коэффициент мощности χ.

6. Коэффициент полезного действия η.

В общем виде выпрямленное напряжение u_dможет быть выражено в виде суммы постоянной составляющейU_dи переменной пульсации u: u_d =U_d+u.

Постоянная составляющая представляет собой среднее значение выпрямленного напряжения

,

где u_d(t)– мгновенное значение выпрямленного напряжения;

Т – период повторяемости формы выпрямленного напряжения.

При сравнении различных схем выпрямления используют коэффициент схемы .

Основными элементами, параметры которых подлежат расчету в схемах выпрямления, являются вентильные элементы и трансформатор. Исходными данными при расчете служат выпрямленное напряжение U_d и ток I_d, или мощность и напряжение сети U₁.

Для выбор вентильного элемента необходимо определить максимальное I_{В,М ,} среднее I_B,СР и действующего I_B значения тока, протекающего через него в прямом направлении, выраженное через I_d, а также максимальные напряжения на вентиле: обратное U_обр,м – для неуправляемых вентилей; обратное U_обр,м и прямое U_пр,м – для управляемых, выраженные через U₂.

Оценка эффективности использования вентилей производится через коэффициент использования по напряжению K_U и по току K_I.

,

Параметры трансформатора определяются полной расчетной мощностью S_T и коэффициентом трансформации K_T

, ,

Оценку эффективности использования трансформатора производят посредством коэффициента превышения расчетной мощности

,

где – номинальная активная мощность выхода выпрямителя.

Мощность в отличие от соответствует фактической мощности, выделяемой в нагрузках. Она может быть вычислена по выражению

где T – период повторяемости пульсаций выпрямленного напряжения;

- мгновенные значения выпрямленного напряжения и тока.

Для идеально сглаженного выпрямленного напряжения, а следовательно, и тока в активной нагрузке ; во всех других случаях . Разница в значениях и обусловлена наличием пульсаций в выпрямленном напряжении и токе. Если обозначить пульсации в виде переменных составляющих и , то можно записать .

При значительных пульсациях выпрямленного напряжения может быть намного больше .

Основные потери активной мощности:

в трансформаторе , в вентилях , в вспомогательных устройствах (СУ, СЗ, охлаждение, сигнализации) . Составляющую мощности (интеграл), обусловленную пульсацией напряжения на нагрузке, относят к дополнительным потерям.

С учетом этих составляющих К.П.Д. выпрямителя

.

Из несинусоидального тока сети i_c можно выделить первую гармонику , отстающую от напряжения на угол φ₁. Активная мощность, потребляемая выпрямителем .

Полная мощность, потребляемая выпрямителем ,

где – действующее значение тока гармоники;

– действующее значение несинусоидального тока сети.

Коэффициент мощности выпрямителя

Степень несинусоидальности тока характеризуется коэффициентом искажения . Для несинусоидального режима вводится понятие мощности искажений

1.3 Основные элементы преобразователей

В настоящее время основными приборами силовой электроники в области коммутируемых токов до 50 А являются: диоды; тиристоры (SCR); биполярные транзисторы (ВРТ); бипо­лярные транзисторы с изолированным затвором (IGВТ); полевые транзисторы с изолированным затвором (МОSFЕТ); силовые интег­ральные схемы (Power IC); интеллектуальные силовые интеграль­ные схемы (Start Power IC).

В области коммутируемых токов более 50 А основными прибо­рами силовой электроники являются: силовые модули на базе биполярных транзисторов; силовые модули (IGВТ); тиристоры; запираемые тиристоры (GTO); диоды.

Диоды - неуправляемые вентили, основные параметры, которых определяются из ВАХ (рис.3).

Выпускаются серии силовых диодов с предельным током I_п = 320÷200 А и повторяющимся напряжением U_пов.=100÷2000 В. На ещё большие значения должны использоваться блоки, состоящие из последовательно и параллельно включённых приборов (рис.3,б,в.).

Для выравнивания напряжений (рис.3,б) используются резисторы R_ш, включённые параллельно вентилям. Для выравнивания напряжений в переходных режимах параллельно вентилям включаются RC–цепи.

Для равномерного деления тока между параллельно включёнными вентилями обычно производят подбор вентилей по прямым падениям напряжения .

Тиристоры (SCR). Несмотря на такие очевидные достоинства, как низкое падение напряжения (1,2-1,5 В), высокая плотность тока, высокие коммутируемые напряжения 8 кВ и токи 4 кА, простота и низкая стоимость схем управления, стой­кость к перегрузкам по току, высокая надежность прижимной табле­точной конструкции — этот класс приборов силовой электроники сегодня можно отнести к устаревшим. У них есть один существенный недостаток — невозможность выключения по управляющему элект­роду.

Запираемые тиристоры (GTO, IGCT). Запираемый затвор (тиристор) – тиристор, который может быть выключен. Отрицательный импульс на затворе может выключить тиристор, даже когда напряжение анод-катод положительно. Сами GTO были модернизированы за счёт применения новых технологий, и появился новый класс приборов - тиристор, коммутируемый по затвору (GCT или IGCT). Повысилось быстродействие, значительно сократились статические и динамические потери.

Силовые транзисторы. В преобразователях они используются в качестве ключевых элементов, т.е.работают в режиме переключения из области насыщения – включено (кривая А на рис.4,в) в область отсечки - выключено (кривая В).

Самую значительную часть приборов в диапазоне до 50 А составляют полевые транзисторы с изолированным затвором – транзисторы МОSFЕТ. Имея небольшие времена переключения, они могут работать на частотах до 1 МГц и практически полностью вытеснили из низковольтных преобразователей (<200 В) все остальные типы приборов.

В области средних напряжений (500 - 600 В и выше) использую биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGВТ).

В настоящее время IGВТ обеспечивают коммутацию токов до 1,8 кА и напряжений до 4,5 кВ. При этом времена переключения IGВТ транзисторов лежат в диапазоне 200 – 400 нсек. Дальнейшее развитие IGВТ будет идти по пути:

Буква D обозначает “диод”

D X

Рисунок 7 - IGBT модули

	Буквенные обозначения и термины VRRM - повторяющееся импульсное обратное напряжение VDRM - повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии