- Rad s četiri kvadranta u dvostrukom pretvaraču
- Načelo
- Praktični dvostruki pretvarač
- 1) Dvostruki rad pretvarača bez cirkulirajuće struje
- 2) Dvostruki rad pretvarača s cirkulacijskom strujom
- 1) Jednofazni dvostruki pretvarač
- 2) Trofazni dvostruki pretvarač
U prethodnom uputstvu vidjeli smo kako je dizajniran dvostruki krug napajanja, sada učimo o dvostrukim pretvaračima, koji istovremeno mogu pretvoriti izmjenični u istosmjerni i istosmjerni u izmjenični. Kao što i samo ime govori, dvostruki pretvarač ima dva pretvarača, jedan pretvarač radi na ispravljaču (pretvara izmjenični u istosmjerni), a drugi pretvarač u obliku pretvarača (pretvara istosmjerni u izmjenični). Oba pretvarača povezana su leđima uz leđa zajedničkim opterećenjem kao što je prikazano na gornjoj slici. Da biste saznali više o ispravljaču i pretvaraču, slijedite poveznice.
Zašto koristimo dvostruki pretvarač? Ako samo jedan pretvarač može napajati teret, zašto onda koristimo dva pretvarača? Ta se pitanja mogu pojaviti i odgovor ćete dobiti u ovom članku.
Ovdje imamo dva pretvarača spojena straga natrag. Zbog ove vrste veze, ovaj uređaj može biti dizajniran za rad s četiri kvadrata. To znači da i napon opterećenja i struja opterećenja postaju reverzibilni. Kako je moguć rad s četiri kvadrata u dvostrukom pretvaraču? To ćemo vidjeti dalje u ovom članku.
Općenito se dvostruki pretvarači koriste za reverzibilne istosmjerne pogone ili istosmjerne pogone promjenjive brzine. Koristi se za aplikacije velike snage.
Rad s četiri kvadranta u dvostrukom pretvaraču
Prvi kvadrant: napon i struja pozitivni.
Drugi kvadrant: napon je pozitivan, a struja negativna.
Treći kvadrant: napon i struja negativni.
Četvrti kvadrant: napon je negativan, a struja pozitivna.
Od ova dva pretvarača, prvi pretvarač radi u dva kvadranta, ovisno o vrijednosti kuta paljenja α. Ovaj pretvarač radi kao ispravljač kada je vrijednost α manja od 90˚. U ovoj operaciji pretvarač proizvodi pozitivan prosječni napon opterećenja i struju opterećenja i radi u prvom kvadrantu.
Kada je vrijednost α veća od 90˚, ovaj pretvarač radi kao pretvarač. U ovom postupku pretvarač proizvodi negativni prosječni izlazni napon i smjer struje se ne mijenja. Zbog toga struja opterećenja ostaje pozitivna. U prvom kvadrantnom radu energija se prenosi s izvora na teret, a u četvrtom kvadrantnom, energija se prenosi s opterećenja na izvor.
Slično tome, drugi pretvarač djeluje kao ispravljač kada je kut paljenja α manji od 90˚, a djeluje kao pretvarač kad je kut paljenja α veći od 90˚. Kada ovaj pretvarač radi kao ispravljač, prosječni izlazni napon i struja su negativni. Dakle, djeluje u trećem kvadrantu, a protok snage je od opterećenja do izvora. Ovdje se motor okreće u obrnutom smjeru. Kada ovaj pretvarač radi kao pretvarač, prosječni izlazni napon je pozitivan, a struja negativna. Dakle, on djeluje u drugom kvadrantu i protok snage je od opterećenja do izvora.
Kad je protok snage od opterećenja do izvora, motor se ponaša poput generatora i to omogućava regenerativno lomljenje.
Načelo
Da bismo razumjeli princip dvostrukog pretvarača, pretpostavljamo da su oba pretvarača idealna. To znači da oni proizvode čisti izlazni napon istosmjerne struje, nema mreškanja na izlaznim stezaljkama. Pojednostavljeni ekvivalentni dijagram dvostrukog pretvarača prikazan je na donjoj slici.
U gornjoj shemi sklopa pretvarač je pretpostavljen kao kontrolirani izvor istosmjernog napona i povezan je u seriju s diodom. Kut paljenja pretvarača regulira se upravljačkim krugom. Dakle, istosmjerni naponi oba pretvarača jednaki su po veličini i suprotni po polaritetu. To omogućuje pogon struje u obrnutom smjeru kroz teret.
Pretvarač koji radi kao ispravljač naziva se pretvarač pozitivne grupe, a drugi pretvarač koji radi kao pretvarač naziva se pretvarač negativne grupe.
Prosječni izlazni napon funkcija je kuta pucanja. Za jednofazni pretvarač i trofazni pretvarač prosječni izlazni napon je u obliku donjih jednadžbi.
E DC1 = E max Cos⍺ 1 E DC2 = E max Cos⍺ 2
Gdje su α 1 i α 2 kut pucanja pretvarača-1, odnosno pretvarača-2.
Za jednofazni dvostruki pretvarač, E max = 2E m / π
Za, trofazni dvostruki pretvarač, E max = 3√3E m / π
Jer, idealan pretvarač, 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
Kao što je gore spomenuto, prosječni izlazni napon je funkcija kuta pucanja. To znači da za željeni izlazni napon moramo kontrolirati kut paljenja. Upravljački krug kuta pucanja može se koristiti takav da će se, kada se promijeni upravljački signal E c, kut paljenja α 1 i α 2 promijeniti na takav način da zadovoljava ispod grafa.
Praktični dvostruki pretvarač
Praktično ne možemo pretvoriti oba pretvarača kao idealna pretvarača. Ako su kut paljenja pretvarača postavljeni na takav način da je ⍺ 1 + ⍺ 2 = 180⁰. U ovom su stanju prosječni izlazni napon oba pretvarača jednaki po veličini, ali suprotni po polaritetu. Ali zbog napona mreškanja, ne možemo dobiti točno isti napon. Dakle, trenutna je razlika napona na istosmjernim stezaljkama dva pretvarača koja proizvode ogromnu c irkulacijsku struju između pretvarača i koja će teći kroz teret.
Stoga je u praktičnom dvostrukom pretvaraču potrebno kontrolirati cirkulacijsku struju. Postoje dva načina upravljanja cirkulacijskom strujom.
1) Rad bez cirkulirajuće struje
2) Rad s cirkulacijskom strujom
1) Dvostruki rad pretvarača bez cirkulirajuće struje
U ovoj vrsti dvostrukog pretvarača samo je jedan pretvarač u provodu, a drugi je privremeno blokiran. Dakle, istovremeno djeluje jedan pretvarač i reaktor nije potreban između pretvarača. Recimo da u određenom trenutku pretvarač-1 djeluje kao ispravljač i napaja struju opterećenja. Trenutno se pretvarač-2 blokira uklanjanjem kuta ispaljivanja. Za inverzijski rad pretvarač-1 je blokiran, a pretvarač-2 napaja struju opterećenja.
Impulsi na pretvarač-2 primjenjuju se nakon vremena odgode. Vrijeme kašnjenja je oko 10 do 20 msec. Zašto primjenjujemo vrijeme kašnjenja između promjene rada? Osigurava pouzdan rad tiristora. Ako se pretvarač-2 aktivira prije nego što se pretvarač-1 potpuno isključi, između pretvarača će teći velika količina cirkulirajuće struje.
Postoje mnoge upravljačke sheme za generiranje kuta paljenja za rad dvostrukog pretvarača bez struje. Ove su upravljačke sheme dizajnirane za rad vrlo sofisticiranih upravljačkih sustava. Ovdje je odjednom u provođenju samo jedan pretvarač. Stoga je moguće koristiti samo jednu kutnu jedinicu paljbe. U nastavku je navedeno nekoliko osnovnih shema.
A) Odabir pretvarača polaritetom upravljačkog signala
B) Odabir pretvarača po polaritetu struje opterećenja
C) Odabir pretvarača i upravljačkim naponom i strujom opterećenja
2) Dvostruki rad pretvarača s cirkulacijskom strujom
Bez pretvarača cirkulirajuće struje potreban je sofisticirani sustav upravljanja, a struja opterećenja nije kontinuirana. Da bi se prevladale ove poteškoće, postoji dvostruki pretvarač koji može raditi s cirkulacijskom strujom. Struje ograničava reaktor je spojen između stezaljki istosmjernog pretvarača oba. Kut paljenja oba pretvarača postavljen je tako da minimalna količina cirkulirajuće struje teče kroz reaktor. Kao što je raspravljeno u idealnom pretvaraču, cirkulirajuća struja je nula ako je ⍺ 1 + ⍺ 2 = 180⁰.
Recimo da je kut paljenja pretvarača-1 60˚, tada se kut paljenja pretvarača-2 mora održavati na 120˚. U ovoj operaciji pretvarač-1 će raditi kao ispravljač, a pretvarač-2 kao pretvarač. Dakle, u ovoj vrsti rada, istovremeno su oba pretvarača u provodnom stanju. Ako je struja opterećenja obrnuta, pretvarač koji radi kao ispravljač sada radi kao pretvarač, dok pretvarač koji radi kao pretvarač sada radi kao ispravljač. U ovoj shemi oba pretvarača istodobno provode. Dakle, potrebne su dvije jedinice generatora kutova paljbe.
Prednost ove sheme je što možemo dobiti nesmetan rad pretvarača u trenutku inverzije. Vremenski odziv sheme vrlo je brz. Uobičajeno razdoblje kašnjenja je 10 do 20 msec u slučaju da se eliminira rad bez struje.
Nedostatak ove sheme je taj što su veličina i cijena reaktora visoki. Zbog cirkulirajuće struje, faktor snage i učinkovitost niski su. Za rukovanje cirkulacijskom strujom potrebni su tiristori s visokom strujom.
Prema vrsti opterećenja koriste se dvofazni jednofazni i trofazni pretvarači.
1) Jednofazni dvostruki pretvarač
Shema sklopa dvostrukog pretvarača prikazana je na donjoj slici. Kao opterećenje koristi se zasebno uzbuđeni istosmjerni motor. Istosmjerne stezaljke oba pretvarača povezane su sa stezaljkama namotaja armature. Ovdje su dva jednofazna puna pretvarača spojena natrag. Oba pretvarača daju zajedničko opterećenje.
Kut paljenja pretvarača-1 je α 1, a α 1 je manji od 90˚. Stoga pretvarač-1 djeluje kao ispravljač. Za pozitivan poluciklus (0 <t <π), tiristori S1 i S2 provest će, a za negativni poluciklus (π <t <2π), tiristori S3 i S4. U ovoj operaciji, izlazni napon i struja su pozitivni. Dakle, ova je operacija poznata kao pogon naprijed i pretvarač radi u prvom kvadrantu.
Kut paljenja pretvarača-2 je 180 - α 1 = α 2, a α 2 je veći od 90˚. Dakle, pretvarač-2 djeluje kao pretvarač. U ovom postupku struja opterećenja ostaje u istom smjeru. Polaritet izlaznog napona je negativan. Stoga pretvarač radi u četvrtom kvadrantu. Ova operacija poznata je pod nazivom regenerativno kočenje.
Za obrnuto okretanje istosmjernog motora pretvarač-2 djeluje kao ispravljač, a pretvarač-1 kao pretvarač. Kut ispaljivanje pretvarača-2 α 2 manji od 90˚. Alternativni izvor napona opskrbljuje opterećenjem. U ovom postupku struja opterećenja je negativna, a izlazni prosječni napon je također negativan. Stoga pretvarač-2 radi u trećem kvadrantu. Ova je operacija poznata kao unatrag.
U obrnutom načinu rada, kut paljenja pretvarača-1 manji je od 90˚, a kut otpuštanja pretvarača-2 veći od 90˚. Dakle, u ovoj operaciji struja opterećenja je negativna, ali prosječni izlazni napon je pozitivan. Dakle, pretvarač-2 radi u drugom kvadrantu. Ova operacija poznata je kao povratno regenerativno kočenje.
Valni oblik jednofaznog dvostrukog pretvarača prikazan je na donjoj slici.
2) Trofazni dvostruki pretvarač
Shema sklopa trofaznog dvostrukog pretvarača prikazana je na donjoj slici. Ovdje su dva trofazna pretvarača spojena natrag. Načelo rada je isto kao jednofazni dvostruki pretvarač.
Dakle, ovako su dizajnirani dvostruki pretvarači i kao što je već rečeno, oni se obično koriste za izradu reverzibilnih istosmjernih pogona ili istosmjernih pogona promjenjive brzine u aplikacijama velike snage.