- Операція чотирьох квадрантів у подвійному перетворювачі
- Принцип
- Практичний подвійний перетворювач
- 1) Робота подвійного перетворювача без циркуляційного струму
- 2) Робота подвійного перетворювача з циркулюючим струмом
- 1) Однофазний подвійний перетворювач
- 2) Трифазний подвійний перетворювач
У попередньому підручнику ми бачили, як розроблена подвійна схема живлення, тепер ми дізнаємося про подвійні перетворювачі, які можуть одночасно перетворювати змінне в постійне та постійне в змінне. Як випливає з назви, подвійний перетворювач має два перетворювачі, один перетворювач працює випрямлячем (перетворює змінне в постійний), а інший перетворювач працює як перетворювач (перетворює постійний в змінне). Обидва перетворювачі з'єднані між собою спільним навантаженням, як показано на малюнку вище. Щоб дізнатись більше про випрямляч та інвертор, перейдіть за посиланнями.
Чому ми використовуємо подвійний перетворювач? Якщо лише один перетворювач може забезпечити навантаження, то чому ми використовуємо два перетворювача? Ці питання можуть виникнути, і ви отримаєте відповідь у цій статті.
Тут ми маємо два перетворювачі, з’єднані між собою. Завдяки такому типу підключення цей пристрій може бути розроблений для роботи в чотири квадранти. Це означає, що і напруга навантаження, і струм навантаження стають оборотними. Як можлива робота чотирьох квадрантів у подвійному перетворювачі? Що ми побачимо далі в цій статті.
Як правило, подвійні перетворювачі використовуються для реверсивних приводів постійного струму або змінних частот постійного струму. Він використовується для потужних додатків.
Операція чотирьох квадрантів у подвійному перетворювачі
Перший квадрант: напруга та струм позитивні.
Другий квадрант: напруга позитивна, а сила струму від’ємна.
Третій квадрант: напруга та струм негативні.
Четвертий квадрант: напруга від’ємна, а струм позитивний.
З цих двох перетворювачів перший перетворювач працює у двох квадрантах залежно від величини кута стрільби α. Цей перетворювач працює як випрямляч, коли значення α менше 90˚. У цій операції перетворювач виробляє середню позитивну напругу навантаження та струм навантаження і працює в першому квадранті.
Коли значення α більше 90˚, цей перетворювач працює як інвертор. У цій операції перетворювач виробляє середню негативну вихідну напругу і напрямок струму не змінюється. Ось чому струм навантаження залишається додатним. У першій операції квадранта енергія переходить від джерела до навантаження, а в четвертій операції квадранта енергія передається від навантаження до джерела.
Подібним чином, другий перетворювач працює як випрямляч, коли кут стрільби α менше 90˚, і він працює як інвертор, коли кут стрільби α більше 90˚. Коли цей перетворювач працює як випрямляч, середня вихідна напруга та струм обидва є від'ємними. Отже, він працює в третьому квадранті, і потік потужності йде від навантаження до джерела. Тут двигун обертається в зворотному напрямку. Коли цей перетворювач працює як інвертор, середня вихідна напруга є додатною, а струм - від’ємною. Отже, він працює у другому квадранті, і потік потужності йде від навантаження до джерела.
Коли потік потужності йде від навантаження до джерела, двигун поводиться як генератор, і це робить можливим регенеративне розрив.
Принцип
Щоб зрозуміти принцип роботи подвійного перетворювача, ми припускаємо, що обидва перетворювачі є ідеальними. Це означає, що вони виробляють чисту вихідну напругу постійного струму, на вихідних клемах немає пульсацій. Спрощена еквівалентна схема подвійного перетворювача показана на малюнку нижче.
На наведеній вище електричній схемі перетворювач передбачається як кероване джерело постійної напруги, і він послідовно підключений до діода. Кут стрільби перетворювачів регулюється схемою управління. Отже, напруги постійного струму обох перетворювачів рівні за величиною і протилежні за полярністю. Це дозволяє подавати струм у зворотному напрямку через навантаження.
Перетворювач, що працює як випрямляч, називається перетворювачем додатних груп, а інший перетворювач, що працює як перетворювач, називається перетворювачем негативних груп.
Середня вихідна напруга є функцією кута стрільби. Для однофазного інвертора та трифазного інвертора середня вихідна напруга має форму нижченаведених рівнянь.
E DC1 = E max Cos⍺ 1 E DC2 = E max Cos⍺ 2
Де α 1 і α 2 - кут стрільби перетворювача-1 та перетворювача-2 відповідно.
Для однофазного подвійного перетворювача, E max = 2E m / π
Для трифазного подвійного перетворювача, E max = 3√3E м / π
Для, ідеального перетворювача, 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
Як обговорювалося вище, середня вихідна напруга є функцією кута стрільби. Це означає, що для бажаної вихідної напруги нам потрібно контролювати кут стрільби. Схема управління кутом стрільби може бути використана таким чином, що при зміні керуючого сигналу E c кут стрільби α 1 і α 2 змінюватиметься таким чином, що буде задовольняти нижче графіку.
Практичний подвійний перетворювач
Практично ми не можемо вважати обидва перетворювача ідеальними перетворювачами. Якщо кут стрільби перетворювачів встановлений таким чином, що ⍺ 1 + ⍺ 2 = 180⁰. У цьому стані середня вихідна напруга обох перетворювачів однакова за величиною, але протилежна за полярністю. Але через пульсаційну напругу ми не можемо точно отримати ту саму напругу. Отже, є миттєва різниця напруг на клемах постійного струму двох перетворювачів, які виробляють величезний c струм обмотки між перетворювачами і який буде проходити через навантаження.
Тому в практичному подвійному перетворювачі необхідно контролювати циркулюючий струм. Існує два режими управління циркуляційним струмом.
1) Робота без циркуляційного струму
2) Робота з циркулюючим струмом
1) Робота подвійного перетворювача без циркуляційного струму
У цьому типі подвійного перетворювача лише один перетворювач працює, а інший перетворювач тимчасово заблокований. Отже, одночасно працює один перетворювач, і реактор не потрібен між перетворювачами. Скажімо, в певний момент перетворювач-1 діє як випрямляч і подає струм навантаження. У цей момент перетворювач-2 блокується, знімаючи кут стрільби. Для роботи інверсії перетворювач-1 блокується, а перетворювач-2 подає струм навантаження.
Імпульси до перетворювача-2 подаються через час затримки. Час затримки становить близько 10-20 мсек. Чому ми застосовуємо час затримки між зміною операції? Це забезпечує надійну роботу тиристорів. Якщо перетворювач-2 спрацював до того, як перетворювач-1 повністю вимкнувся, між перетворювачами буде протікати велика кількість циркулюючого струму.
Існує багато схем управління для створення кута стрільби для роботи бездротового струму подвійного перетворювача. Ці схеми управління розроблені для роботи з дуже складними системами управління. Тут за раз проводиться лише один перетворювач. Отже, можна використовувати лише одну одиницю кута стрільби. Нижче наведено кілька основних схем.
А) Вибір перетворювача за полярністю керуючого сигналу
Б) Вибір перетворювача за полярністю струму навантаження
В) Вибір перетворювача як за напругою управління, так і за струмом навантаження
2) Робота подвійного перетворювача з циркулюючим струмом
Без перетворювача циркуляційного струму для цього потрібна дуже складна система управління, а струм навантаження не є постійним. Для подолання цих труднощів існує подвійний перетворювач, який може працювати з циркулюючим струмом. Обмеження струму реактора приєднаний між клемами постійного струму обох перетворювачів. Кут стрільби обох перетворювачів встановлюється таким чином, щоб мінімальна кількість циркулюючого струму протікала через реактор. Як обговорювалося в ідеальному інверторі, циркулюючий струм дорівнює нулю, якщо ⍺ 1 + ⍺ 2 = 180⁰.
Скажімо, кут стрільби конвертора-1 дорівнює 60˚, тоді кут стрільби конвертора-2 повинен підтримуватися на рівні 120˚. У цій операції перетворювач-1 працюватиме як випрямляч, а перетворювач-2 працюватиме як перетворювач. Таким чином, при цьому типі операцій одночасно обидва перетворювачі перебувають у провідному стані. Якщо струм навантаження зворотний, перетворювач, який працює як випрямляч, тепер працює як інвертор, тоді як перетворювач, який працює як інвертор, тепер працює як випрямляч. У цій схемі обидва перетворювача ведуть одночасно. Отже, для цього потрібні два генератора кута стрільби.
Перевага цієї схеми полягає в тому, що ми можемо отримати безперебійну роботу перетворювача під час інверсії. Часова реакція схеми дуже швидка. Нормальний період затримки становить 10-20 мсек, якщо виключена робота без циркуляційного струму.
Недоліком цієї схеми є те, що розмір і вартість реактора високі. Через циркулюючий струм коефіцієнт потужності та ефективність низькі. Для обробки циркуляційного струму потрібні тиристори з високим номіналом струму.
За типом навантаження застосовуються однофазні та трифазні подвійні перетворювачі.
1) Однофазний подвійний перетворювач
Схема подвійного перетворювача показана на малюнку нижче. В якості навантаження використовується окремо збуджений двигун постійного струму. Клеми постійного струму обох перетворювачів з'єднані з клемами обмотки якоря. Тут два однофазні повні перетворювачі з'єднані між собою. Обидва перетворювача забезпечують загальне навантаження.
Кут стрільби перетворювача-1 становить α 1, а α 1 менше 90˚. Отже, перетворювач-1 діє як випрямляч. При позитивному напівциклі (0 <t <π) тиристори S1 і S2 будуть проводити, а при негативному півциклі (π <t <2π) - тиристори S3 і S4. У цій операції вихідна напруга та струм є позитивними. Отже, ця операція відома як операція прямого руху, і перетворювач працює в першому квадранті.
Кут стрільби перетворювача-2 дорівнює 180 - α 1 = α 2 і α 2 більше 90˚. Отже, перетворювач-2 виступає в ролі інвертора. У цій операції струм навантаження залишається в тому ж напрямку. Полярність вихідної напруги від’ємна. Отже, перетворювач працює в четвертому квадранті. Ця операція відома як рекуперативне гальмування.
Для зворотного обертання двигуна постійного струму перетворювач-2 виконує роль випрямляча, а перетворювач-1 - як перетворювач. Кут стрільби перетворювача-2 α 2 менше 90˚. Альтернативне джерело напруги забезпечує навантаження. У цій операції струм навантаження від’ємний, а вихідна середня напруга також від’ємна. Тому перетворювач-2 працює в третьому квадранті. Ця операція відома як зворотне керування автомобілем.
У зворотному режимі кут стрільби перетворювача-1 становить менше 90˚, а кут стрільби перетворювача-2 - більше 90˚. Отже, в цій операції струм навантаження від’ємний, але середня вихідна напруга позитивна. Отже, перетворювач-2 працює у другому квадранті. Ця операція відома як зворотне регенеративне гальмування.
Форма сигналу однофазного подвійного перетворювача така, як показано на малюнку нижче.
2) Трифазний подвійний перетворювач
Принципова електрична схема трифазного подвійного перетворювача така, як показано на малюнку нижче. Тут два трифазні перетворювачі з'єднані між собою. Принцип роботи такий же, як однофазний подвійний перетворювач.
Отже, таким чином розробляються подвійні перетворювачі, і, як уже було сказано, вони, як правило, використовуються для побудови реверсивних приводів постійного струму або приводів постійного струму зі змінною швидкістю у потужних додатках.