Przegląd podwójnych konwerterów

W poprzednim samouczku widzieliśmy, jak projektowany jest obwód podwójnego zasilania, teraz dowiadujemy się o podwójnych konwerterach, które mogą jednocześnie konwertować prąd przemienny na prąd stały i prąd stały na prąd przemienny. Jak sama nazwa wskazuje, Dual Converter ma dwa konwertery, jeden konwerter pracuje jako prostownik (konwertuje AC na DC), a drugi konwerter działa jako falownik (konwertuje prąd stały na prąd przemienny). Oba konwertery są połączone tyłem do siebie ze wspólnym obciążeniem, jak pokazano na powyższym rysunku. Aby dowiedzieć się więcej o prostowniku i falowniku, skorzystaj z łączy.

Dlaczego używamy podwójnego konwertera? Jeśli tylko jeden konwerter może zasilić obciążenie, to dlaczego używamy dwóch konwerterów? Mogą się pojawić te pytania, a odpowiedź znajdziesz w tym artykule.

Tutaj mamy dwa konwertery połączone plecami. Dzięki temu typowi połączenia urządzenie to można zaprojektować do pracy w czterech kwadrantach. Oznacza to, że zarówno napięcie obciążenia, jak i prąd obciążenia stają się odwracalne. Jak możliwa jest praca w czterech kwadrantach w podwójnym konwerterze? O tym dowiemy się dalej w tym artykule.

Generalnie w odwracalnych napędach DC lub przemiennikach DC o zmiennej prędkości stosuje się konwertery podwójne. Jest używany do zastosowań o dużej mocy.

Praca w czterech kwadrantach w podwójnym konwerterze

Pierwsza ćwiartka: napięcie i prąd są dodatnie.

Drugi kwadrant: napięcie jest dodatnie, a prąd ujemny.

Trzecia ćwiartka: napięcie i prąd są ujemne.

Czwarta ćwiartka: napięcie jest ujemne, a prąd jest dodatni.

Z tych dwóch konwerterów pierwszy konwerter pracuje w dwóch kwadrantach w zależności od wartości kąta wystrzału α. Ten konwerter działa jako prostownik, gdy wartość α jest mniejsza niż 90˚. W tej operacji przekształtnik wytwarza dodatnie średnie napięcie obciążenia i prąd obciążenia i działa w pierwszej ćwiartce.

Gdy wartość α jest większa niż 90˚, ten konwerter działa jako falownik. W tej operacji przekształtnik wytwarza ujemne średnie napięcie wyjściowe, a kierunek prądu nie ulega zmianie. Dlatego prąd obciążenia pozostaje dodatni. W pierwszej operacji kwadrantu energia przenosi się ze źródła do obciążenia, aw czwartej operacji energia jest przekazywana od obciążenia do źródła.

Podobnie, drugi konwerter działa jako prostownik, gdy kąt wystrzału α jest mniejszy niż 90˚, a jako falownik, gdy kąt wystrzeliwania α jest większy niż 90˚. Gdy ten konwerter działa jako prostownik, średnie napięcie wyjściowe i prąd są ujemne. Działa więc w trzeciej ćwiartce, a przepływ mocy odbywa się od obciążenia do źródła. Tutaj silnik obraca się w odwrotnym kierunku. Gdy ten konwerter działa jako falownik, średnie napięcie wyjściowe jest dodatnie, a prąd jest ujemny. Tak więc działa w drugiej ćwiartce, a przepływ mocy odbywa się od obciążenia do źródła.

Gdy przepływ mocy przebiega od obciążenia do źródła, silnik zachowuje się jak generator, co umożliwia wyłączanie regeneracyjne.

Zasada

Aby zrozumieć zasadę działania podwójnego konwertera, zakładamy, że oba konwertery są idealne. Oznacza to, że wytwarzają czyste napięcie wyjściowe DC, na zaciskach wyjściowych nie ma tętnienia. Uproszczony schemat zastępczy podwójnego konwertera jest przedstawiony na poniższym rysunku.

Na powyższym schemacie obwodu konwerter jest traktowany jako sterowalne źródło napięcia stałego i jest połączony szeregowo z diodą. Kąt zapłonu przetworników jest regulowany przez obwód sterujący. Tak więc napięcia DC obu przetworników są równe pod względem wielkości i mają przeciwną biegunowość. Umożliwia to przepływ prądu w odwrotnym kierunku przez obciążenie.

Konwerter działający jako prostownik nazywany jest konwerterem grupy dodatniej, a drugi konwerter pracujący jako falownik nazywa się konwerterem grupy ujemnej.

Średnie napięcie wyjściowe jest funkcją kąta zapłonu. Dla falownika jednofazowego i falownika trójfazowego średnie napięcie wyjściowe ma postać poniższych równań.

E _DC1 = E _max Cos⍺ ₁ E _DC2 = E _max Cos⍺ ₂

Gdzie α ₁ i α ₂ to kąt wystrzelenia odpowiednio konwertera-1 i konwertera-2.

Dla jednofazowego konwertera podwójnego, E _max = 2E _m / π

Dla trójfazowego konwertera podwójnego, E _max = 3√3E _m / π

Idealny konwerter, 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

Jak omówiono powyżej, średnie napięcie wyjściowe jest funkcją kąta zapłonu. Oznacza to, że dla pożądanego napięcia wyjściowego musimy kontrolować kąt wystrzału. Układ sterowania kątem wypalania może być używany tak, że gdy sygnał sterujący E _c zmiany, wypalanie kąt α ₁ i α ₂ zmienia się w taki sposób, że będzie spełniać poniżej wykresu.

Praktyczny podwójny konwerter

Praktycznie nie możemy przyjąć obu przetworników jako przetwornika idealnego. Jeżeli kąt świecenia przetworników jest ustawiony w taki sposób, że ⍺ ₁ + ⍺ ₂ = 180⁰. W tym stanie średnie napięcie wyjściowe obu przetworników jest takie samo pod względem długości, ale przeciwnej biegunowości. Ale z powodu napięcia tętnienia nie możemy uzyskać dokładnie tego samego napięcia. Tak, istnieje różnica chwilowe napięcie na zaciskach DC dwóch konwerterów, które produkują ogromne c prąd irculating pomiędzy konwerterami i że popłynie przez obciążenie.

Dlatego w praktycznym przetworniku podwójnym konieczne jest sterowanie prądem cyrkulacyjnym. Istnieją dwa tryby sterowania prądem cyrkulacyjnym.

1) Praca bez prądu cyrkulacyjnego

2) Praca z prądem cyrkulacyjnym

1) Praca z podwójnym przetwornikiem bez prądu cyrkulacyjnego

W tego typu konwerterach podwójnych tylko jeden konwerter przewodzi, a inny konwerter jest tymczasowo blokowany. Tak więc w danym momencie pracuje jeden konwerter, a dławik nie jest wymagany między konwerterami. Powiedzmy, że w określonym momencie konwerter-1 działa jak prostownik i dostarcza prąd obciążenia. W tym momencie konwerter-2 zostaje zablokowany przez usunięcie kąta wystrzału. W przypadku pracy w trybie inwersyjnym przetwornica-1 jest blokowana, a przetwornica-2 dostarcza prąd obciążenia.

Impulsy do konwertera-2 podawane są po pewnym czasie opóźnienia. Czas opóźnienia wynosi około 10 do 20 ms. Dlaczego stosujemy opóźnienie między zmianą operacji? Zapewnia niezawodne działanie tyrystorów. Jeżeli wyzwolenie przetwornika-2 przed całkowitym wyłączeniem przetwornika-1 spowoduje przepływ dużej ilości prądu krążącego między przetwornicami.

Istnieje wiele schematów sterowania do generowania kąta wyzwalania dla pracy bez prądu cyrkulacyjnego podwójnego przetwornika. Te schematy sterowania są przeznaczone do obsługi bardzo wyrafinowanych systemów sterowania. Tutaj w danym momencie przewodzi tylko jeden konwerter. Dlatego możliwe jest użycie tylko jednego zespołu kąta ostrzału. Poniżej wymieniono kilka podstawowych schematów.

A) Wybór przetwornika na podstawie polaryzacji sygnału sterującego

B) Wybór konwertera na podstawie polaryzacji prądu obciążenia

C) Wybór przemiennika na podstawie napięcia sterującego i prądu obciążenia

2) Praca z podwójnym przetwornikiem z prądem cyrkulacyjnym

Bez cyrkulującego przetwornika prądu wymaga bardzo wyrafinowanego systemu sterowania, a prąd obciążenia nie jest ciągły. Aby przezwyciężyć te trudności, istnieje podwójny konwerter, który może pracować z prądem krążącym. Prąd reaktor ograniczenie jest podłączony pomiędzy zaciskami prądu stałego obu przekształtników. Kąt zapłonu obu przemienników jest ustawiony w taki sposób, aby przez reaktor przepływała minimalna ilość prądu cyrkulacyjnego. Jak omówiono w idealnym falowniku, prąd cyrkulacyjny wynosi zero, jeśli ⍺ ₁ + ⍺ ₂ = 180⁰.

Powiedzmy, że kąt wystrzelenia konwertera-1 wynosi 60˚, to kąt wystrzału konwertera-2 musi być utrzymywany na poziomie 120˚. W tej operacji konwerter-1 będzie działał jako prostownik, a konwerter-2 będzie działał jako falownik. Tak więc w tego typu pracy oba przetwornice są jednocześnie w stanie przewodzenia. Jeśli prąd obciążenia jest odwrócony, przekształtnik, który działa jako prostownik, działa teraz jako falownik, podczas gdy przekształtnik, który działa jako falownik, działa teraz jako prostownik. W tym schemacie oba konwertery zachowują się w tym samym czasie. Wymaga więc dwóch generatorów kąta wypalania.

Zaletą tego schematu jest to, że możemy uzyskać płynną pracę konwertera w momencie inwersji. Reakcja czasowa programu jest bardzo szybka. Normalny okres opóźnienia wynosi od 10 do 20 ms, w przypadku gdy praca bez prądu cyrkulacyjnego jest wyeliminowana.

Wadą tego schematu jest to, że rozmiar i koszt reaktora są wysokie. Ze względu na prąd cyrkulacyjny współczynnik mocy i sprawność są niskie. Aby poradzić sobie z prądem krążącym, wymagane są tyrystory o wysokich prądach znamionowych.

W zależności od rodzaju obciążenia stosuje się jednofazowe i trójfazowe konwertery podwójne.

1) Jednofazowy podwójny konwerter

Schemat obwodu podwójnego konwertera pokazano na poniższym rysunku. Obciążeniem jest obcowzbudny silnik prądu stałego. Zaciski DC obu przetworników są połączone z zaciskami uzwojenia twornika. Tutaj dwa jednofazowe pełne konwertery są połączone plecami. Oba konwertery dostarczają wspólne obciążenie.

Kąt zapłonu konwertera-1 wynosi α _1, a α ₁ jest mniejszy niż 90. Stąd konwerter-1 działa jako prostownik. Dla dodatniego półcyklu (0 <t <π) tyrystor S1 i S2 będzie przewodził, a dla ujemnego półcyklu (π <t <2π) tyrystor S3 i S4. W tej operacji napięcie i prąd wyjściowy są dodatnie. Tak więc ta operacja jest znana jako operacja silnika do przodu, a przetwornica pracuje w pierwszej ćwiartce.

Kąt wyzwalania konwertera-2 wynosi 180 - α ₁ = α ₂ i α ₂ jest większy niż 90˚. Zatem konwerter-2 działa jak falownik. W tej operacji prąd obciążenia pozostaje w tym samym kierunku. Biegunowość napięcia wyjściowego jest ujemna. Dlatego konwerter działa w czwartej ćwiartce. Ta operacja jest nazywana hamowaniem regeneracyjnym.

W przypadku odwrotnych obrotów silnika prądu stałego, przetwornica-2 działa jako prostownik, a przetwornica-1 jako falownik. Kąt zapłonu konwertera-2 α ₂ jest mniejszy niż 90 °. Alternatywne źródło napięcia zasila obciążenie. W tej operacji prąd obciążenia jest ujemny, a średnie napięcie wyjściowe jest również ujemne. Dlatego konwerter-2 pracuje w trzeciej ćwiartce. Ta operacja jest znana jako odwrócenie silnika.

W operacji odwrotnej kąt wystrzeliwania konwertera-1 jest mniejszy niż 90 °, a kąt wystrzeliwania konwertera-2 jest większy niż 90 °. Tak więc w tej operacji prąd obciążenia jest ujemny, ale średnie napięcie wyjściowe jest dodatnie. Tak więc konwerter-2 działa w drugiej ćwiartce. Ta operacja jest znana jako odwrotne hamowanie regeneracyjne.

Przebieg jednofazowego konwertera podwójnego jest taki, jak pokazano na poniższym rysunku.

2) Trójfazowy podwójny konwerter

Schemat obwodu trójfazowego konwertera podwójnego pokazano na poniższym rysunku. Tutaj dwa trójfazowe przetwornice są połączone plecami. Zasada działania jest taka sama, jak w przypadku jednofazowego konwertera podwójnego.

Tak więc projektowane są podwójne konwertery i jak już powiedziano, są one zwykle używane do budowy odwracalnych napędów DC lub napędów DC o zmiennej prędkości w zastosowaniach o dużej mocy.