Электрические схемы устройств для преобразования электрической энергии на постоянном и переменном токе. (Лекция 10)

iнагр
t2
t0
t1
t3
t4
t5
ние обратной полярности, что приводит к его выключению.

Ток нагрузки, ранее протекавший через тиристор, коммутируется в цепь конденсатора С (iнагр=iC), что приводит сначала к обнулению напряжения на конденсаторе (момент времени t3), а затем – к заряду до напряжения источника питания с полярностью, указанной без ско-бок (момент времени t4). Интервал времени от t0 до t4 называется временем импульса tи. После этого ключ готов к повторному циклу. Приведенная схема обеспечивает постоянство времени проводящего состояния тиристора ключа, т. е. соответствует частотному способу регулирования.
Изменения времени проводящего состояния ключа можно добиться путем запрета выключения тиристора после перезаряда коммутирующего конденсатора. До-стичь этого можно схемным решением, пример которого приведен на рис. 13. После перезаряда коммутирующе-го конденсатора до противоположной полярности (мо-мент времени t3 на рис. 12) разряд его через цепь на-грузки становится возможным только после того, как
произойдет отпирание тиристора VS2 (гасящего). Длительность задержки на включение гася-щего тиристора не должна превышать интервала времени Δt=t5-t4, называемого временем паузы tп. На рис. 12 пунктирной линией показано изменение диаграммы напряжения на ком-мутирующем конденсаторе для некоторого времени задержки tзад1. Соответственно изменя-ются диаграммы iC=f(t) и iнагр=φ(t).
Приведенная схема обеспечивает изменение времени проводящего состояния тиристора VS1 ключа (ширины импульса) при сохранении периода, т. е. соответствует широтному спо-собу регулирования.

Трансформаторы.
Наличие большого количества потребителей электрической энергии на переменном токе, рассчитанных на питание от источников с разным уровнем напряжения, привело к необходи-мости согласования питающего напряжения с напряжением потребителя. В качестве согла-сующего устройства между источником и потребителем выступают преобразователи уровня питающего напряжения – трансформаторы. Наибольшее распространение в быту получили однофазные трансформаторы, на производстве – многофазные (в подавляющем большин-стве – трёхфазные). Конструктивно трансформаторы выполняются в виде сердечника из маг-нитного материала, на котором размещаются обмотки: первичные (как правило, одна) и вто-ричные (как правило, несколько). В качестве примера на рис. 5…7 приведены принципиаль-ные электрические схемы одно- и трехфазного трансформаторов. Принцип работы трансформаторов независимо от количества фаз заключается в следую-щем. При подаче на первичную обмотку трансформатора питающего напряжения в ней начи-
нает протекать ток, создающий магнитное поле в сердечнике.
Переменное магнитное поле наводит во вторичной обмотке трансформатора ЭДС, величина которой зависит от парамет-ров первичной и вторичной обмоток (от количества витков в них). При подключении к вторичной обмотке потребителя ве-личина приложенного к нему напряжения U2 связана с величи-ной питающего напряжения U1 соотношением U2=U1w2 /w1.
Одной из разновидностей трансформаторов, позволяю-щей при постоянной величине питающего напряжения полу-чать на выходе дискретно меняющееся выходное, является автотрансформатор (см. рис. 14).

Трансформаторные преобразователи количества фаз.
В некоторых случаях преобразование электрической энергии переменного тока связано не только с согласованием источника и потребителя по уровню напряжения, но и с изменением количества фаз. В настоящее время известно несколько схемных решений преобразовате-лей подобного рода. В качестве примера рассмотрим принцип преобразования двухфазного ортогонального напряжения в трехфазное на базе двух трансформаторов, приведённую на рис. 15 (схема Ч.Ф.Скотта). Преобразователь выполнен на двух трансформаторах, каждый
из которых содержит пер-вичную и вторичную обмот-ки. Отличия трансформато-ров заключаются в том, что у трансформатора Т1 вто-ричная обмотка имеет от-вод от середины (точка D), а сами обмотки имеют разное количество витков. При этом wA=wB. Ортогональ-ность питающих напря-жений U1 и U2, показанная на рисунке в координатных осях (“+j” – “+1”), обеспечи-вает ортогональность вы-ходных напряжений UAB и UCD.

Отложенные на вещественной оси векторы напряжений UBD и UDA вторичных полуобмоток wA и wB трансформатора Т1 образуют с восстановленным из точки D вектором напряжения UCD вторичной обмотки трансформатора Т2 треугольник напряжений АВС. Подбором количества витков вторичных обмоток трансформаторов можно добиться равенства длин векторов ли-нейных напряжений UAB, UAC и UBC. Подключенная к выходным клеммам А,В,С преобразо-вателя нагрузка образует трехфазную цепь.
Преобразователь обладает свойст-вом обратимости, т.е. при питании его трёхфазным напряжением со стороны нагрузки на входе получается два од-нофазных источника напряжения со сдвигом по фазе в 90о эл.
Преобразования трёхфазного на-пряжения в двухфазное можно добить-ся и на одном трансформаторе. Прин-ципиальная электрическая схема цепей ТПЧФ, разработанная Лебланом, при-ведена на рис. 16. Принцип преобразо-вания поясняется векторными диаграм-мами, приведёнными на этом же рисун-ке. Отличительной особенностью трансформатора является то, что фор-мирование напряжения U1 осуществля-ется при помощи двух обмоток w1, рас-

положенных на стержнях фаз А и С трансформатора, а напряжения U2 – на стержнях всех трёх фаз. При этом обмотки стержней фаз А и С имеют одинаковое количество витков (w3), а стержня фазы В – w2≠ w3. Кроме того, начала и концы всех обмоток для формирования орто-гональности векторов напряжений U1 и U2, соединяются так, как это показано на рисунке 49.
Построение вектора U1 начинается с нанесения вектора Uа на ось ординат в координат-ных осях (“+j” – “+1”). Поскольку направления напряжения и тока в обмотке w1 фазы А совпа-дают также, как и в обмотке w первичной цепи, то направление вектора Uа совпадает с на-правлением вектора UА. В обмотке w1 фазы С направления напряжения и тока противопо-ложны. Поэтому направление вектора Uс – противоположно по отношению к вектору UС. Начало вектора UС совпадает с концом вектора Uа. Начало координат и конец вектора UС образуют вектор напряжения U1.
Аналогично определяется направление и длина вектора U2. При этом направления век-торов Uа и Uс противоположны направлениям векторов UА и UС, а направление вектора Uв совпадает с направлением вектора UВ.

На диаграммах, приведённых на рис. 17 показаны кривые, соответствующие состоя-нию намагничивания в первом полупериоде трансформатора Т1. В результате действия суммарной МДС кривая потока Ф1 приобре-тает уплощённую форму, а в трансформа-торе Т2 – поток существенно уменьшается в кривой Ф2 образуется провал. Во втором полупериоде формы кривых потоков в трансформаторах меняются. Таким обра-зом кривые потоков обоих трансформато-ров имеют несимметричную форму, а сле-довательно, содержат как чётные, так и не-чётные гармоники.
При встречном включении первичных обмоток индуцируемая в них результирую-щая ЭДС е1, уравновешивающая приклады-ваемое к ним напряжение U1, создаётся разностью потоков Ф1 и Ф2. Эта разность изменяется с частотой f1 питающего напря-жения и не содержит чётных гармоник. Ре-зультирующая ЭДС, индуцированная в сое-динённых согласно вторичных обмотках, создаётся суммой потоков Ф1 и Ф2, которая не содержит нечётных гармоник. Поэтому

результирующая ЭДС и выходное напряжение U2 определяются в основном второй гармони-кой потоков Ф1 и Ф2, т.е. изменяются с удвоенной частотой f2=2f1. Амплитуду выходного нап-ряжения U2 можно регулировать, изменяя силу тока подмагничивания. Для того, чтобы по об-моткам подмагничивания не протекали переменные токи, созданные чётными гармониками ЭДС, в цепь их питания включается дроссель L.
Принцип работы преобразователей для утроения частоты питающего напря-жения на нагрузке, выполненных на базе трансформаторов, основан на использо-вании третьей гармоники, возникающей при насыщении сердечников трансфор-маторов, подключённых к трёхфазной сети.
На рис. 18а приведена принципиаль-ная электрическая схема трёхфазного трансформаторного преобразователя для утроения частоты, подключение на-грузки ко вторичным обмоткам которого осуществляется по схеме «разомкнутый треугольник». При соединении вторич
ных обмоток трансформатора по такой схеме третьи гармоники ЭДС отдельных фаз совпа-дают по времени, циркулируя при этом с тройной частотой. Для получения большей ампли-туды третьей гармоники сердечники трансформатора выполняются насыщенными.