- Čtyři kvadrantové operace v duálním převaděči
- Zásada
- Praktický duální převodník
- 1) Provoz duálního převodníku bez oběhového proudu
- 2) Provoz duálního převodníku s oběhovým proudem
- 1) Jednofázový duální převodník
- 2) Třífázový duální převodník
V předchozím tutoriálu jsme viděli, jak je navržen obvod duálního napájecího zdroje, nyní se dozvídáme o duálních převaděčích, které mohou převádět střídavý proud na stejnosměrný proud a stejnosměrný proud na střídavý proud současně. Jak název napovídá, Dual Converter má dva převaděče, jeden převaděč pracuje jako usměrňovač (převádí střídavý proud na stejnosměrný) a druhý převaděč funguje jako střídač (převádí stejnosměrný proud na střídavý proud). Oba převodníky jsou připojeny zády k sobě společnou zátěží, jak je znázorněno na obrázku výše. Chcete-li se dozvědět více o usměrňovači a invertoru, postupujte podle odkazů.
Proč používáme duální převodník? Pokud může zátěž napájet pouze jeden převodník, tak proč používáme dva převaděče? Mohou vyvstat tyto otázky a v tomto článku získáte odpověď.
Zde máme dva převaděče připojené zády k sobě. Díky tomuto typu připojení může být toto zařízení navrženo pro čtyřkvadrantový provoz. To znamená, že jak zátěžové napětí, tak zátěžový proud jsou reverzibilní. Jak je možné v duálním převaděči provozovat čtyřkvadrant? To uvidíme dále v tomto článku.
Obecně se duální převodníky používají pro reverzibilní stejnosměrné pohony nebo stejnosměrné pohony s proměnnými otáčkami. Používá se pro vysoce výkonné aplikace.
Čtyři kvadrantové operace v duálním převaděči
První kvadrant: napětí i proud kladné.
Druhý kvadrant: napětí je kladné a proud záporný.
Třetí kvadrant: záporné napětí i proud.
Čtvrtý kvadrant: napětí je záporné a proud je kladný.
Z těchto dvou převaděčů pracuje první převaděč ve dvou kvadrantech v závislosti na hodnotě úhlu vypalování α. Tento převodník pracuje jako usměrňovač, když je hodnota α menší než 90˚. V této operaci převaděč produkuje kladné průměrné zátěžové napětí a zátěžový proud a pracuje v prvním kvadrantu.
Pokud je hodnota α větší než 90˚, pracuje tento převodník jako invertor. Při této operaci měnič produkuje záporné průměrné výstupní napětí a směr proudu se nemění. Proto zátěžový proud zůstává kladný. V operaci prvního kvadrantu se energie přenáší ze zdroje do zátěže a ve operaci čtvrtého kvadrantu se energie přenáší ze zátěže do zdroje.
Podobně druhý měnič pracuje jako usměrňovač, když úhel záběru α je menší než 90 ° a funguje jako invertor, když úhel zážehu α je větší než 90 °. Když tento převodník pracuje jako usměrňovač, průměrné výstupní napětí i proud jsou oba záporné. Funguje tedy ve třetím kvadrantu a tok energie je od zátěže ke zdroji. Zde se motor otáčí opačným směrem. Pokud tento převodník pracuje jako invertor, je průměrné výstupní napětí kladné a proud záporný. Funguje tedy ve druhém kvadrantu a tok energie je od zátěže ke zdroji.
Když je tok energie od zátěže ke zdroji, chová se motor jako generátor, což umožňuje regenerativní rozbití.
Zásada
Abychom pochopili princip duálního převodníku, předpokládáme, že oba převaděče jsou ideální. To znamená, že produkují čisté stejnosměrné výstupní napětí, na výstupních svorkách nedochází k žádnému zvlnění. Zjednodušené ekvivalentní schéma duálního převodníku je znázorněno na následujícím obrázku.
Ve výše uvedeném schématu zapojení je převodník považován za regulovatelný zdroj stejnosměrného napětí a je zapojen do série s diodou. Úhel vypalování měničů je regulován řídicím obvodem. Takže stejnosměrné napětí obou převodníků je stejné velikosti a opačné polarity. To umožňuje řídit proud v zátěži opačným směrem.
Převodník pracující jako usměrňovač se nazývá převodník kladných skupin a druhý převodník pracující jako střídač se nazývá převodník záporných skupin.
Průměrné výstupní napětí je funkcí úhlu střelby. U jednofázového střídače a třífázového střídače je průměrné výstupní napětí ve formě níže uvedených rovnic.
E DC1 = E max Cos⍺ 1 E DC2 = E max Cos⍺ 2
Kde α 1 a α 2 je úhel střelby konvertoru-1 a konvertoru-2.
Pro jednofázový duální převodník, E max = 2E m / π
Pro, třífázový duální převodník, E max = 3√3E m / π
Pro, ideální převodník, 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 bylo diskutováno výše, průměrné výstupní napětí je funkcí úhlu střelby. To znamená, že pro požadované výstupní napětí musíme ovládat úhel střelby. Řídicí obvod úhlu střelby lze použít tak, že když se změní řídicí signál E c, úhel střelby α 1 a α 2 se změní takovým způsobem, že bude vyhovovat níže uvedenému grafu.
Praktický duální převodník
Prakticky nemůžeme oba převaděče považovat za ideální převaděč. Pokud je úhel střelby měničů nastaven tak, že ⍺ 1 + ⍺ 2 = 180⁰. V tomto stavu je průměrné výstupní napětí obou převodníků stejné v mm, ale opačné v polaritě. Ale kvůli zvlněnému napětí nemůžeme přesně získat stejné napětí. Takže existuje rozdíl okamžité napětí na stejnosměrných svorkách obou konvertorů, které produkují obrovské c irculating proud mezi zpracovateli a která bude protékat zátěží.
Proto je v praktickém duálním převodníku nutné řídit cirkulující proud. Existují dva režimy pro řízení cirkulujícího proudu.
1) Provoz bez cirkulačního proudu
2) Provoz s cirkulujícím proudem
1) Provoz duálního převodníku bez oběhového proudu
U tohoto typu duálního převodníku je ve vedení pouze jeden převodník a další převodník je dočasně zablokován. Najednou tedy pracuje jeden převodník a mezi převaděči není vyžadován reaktor. V konkrétním okamžiku, řekněme převodník-1, funguje jako usměrňovač a dodává zátěžový proud. V tomto okamžiku je převodník-2 blokován odstraněním úhlu střelby. Pro inverzní provoz je měnič-1 blokován a měnič-2 dodává proud zátěže.
Impulsy do převodníku-2 jsou aplikovány po době zpoždění. Doba zpoždění je přibližně 10 až 20 ms. Proč mezi změnou provozu uplatňujeme dobu zpoždění? Zajišťuje spolehlivý provoz tyristorů. Pokud se převodník-2 spustí před úplným vypnutím převaděče-1, bude mezi převaděči protékat velké množství cirkulujícího proudu.
Existuje mnoho schémat řízení pro generování úhlu vypalování pro provoz dvojitého převodníku bez oběhu. Tato řídicí schémata jsou navržena pro provoz velmi sofistikovaných řídicích systémů. Zde je najednou veden pouze jeden převodník. Proto je možné použít pouze jednu jednotku úhlu střelby. Níže je uvedeno několik základních schémat.
A) Výběr převodníku polaritou řídicího signálu
B) Výběr převodníku podle polarity zatěžovacího proudu
C) Výběr převodníku jak řídicím napětím, tak zatěžovacím proudem
2) Provoz duálního převodníku s oběhovým proudem
Bez měniče cirkulujícího proudu vyžaduje velmi propracovaný řídicí systém a zátěžový proud není spojitý. K překonání těchto obtíží existuje duální převodník, který může pracovat s cirkulujícím proudem. Omezení proudu v reaktoru je připojen mezi DC svorkami obou měničů. Úhel vypalování obou měničů je nastaven tak, aby reaktorem protékalo minimální množství cirkulujícího proudu. Jak je popsáno v ideálním měniči, cirkulující proud je nulový, pokud ⍺ 1 + ⍺ 2 = 180⁰.
Řekněme, že úhel střelby převaděče-1 je 60˚, pak úhel střelby převaděče-2 musí být udržován na 120˚. V této operaci bude převodník-1 fungovat jako usměrňovač a převodník-2 bude fungovat jako invertor. V tomto typu provozu jsou tedy oba převodníky najednou ve vodivém stavu. Pokud je zátěžový proud obrácen, pracuje měnič, který pracuje jako usměrňovač, nyní jako střídač, zatímco měnič, který je provozován jako střídač, nyní pracuje jako usměrňovač. V tomto schématu se oba převaděče chovají současně. Vyžaduje tedy dvě jednotky generátoru úhlu střelby.
Výhodou tohoto schématu je, že můžeme dosáhnout plynulého provozu převaděče v době inverze. Časová odezva systému je velmi rychlá. Normální doba zpoždění je 10 až 20 ms v případě, že je vyloučen volný provoz cirkulujícího proudu.
Nevýhodou tohoto schématu je to, že velikost a cena reaktoru jsou vysoké. Kvůli cirkulujícímu proudu jsou účiník a účinnost nízké. Pro zpracování cirkulujícího proudu jsou zapotřebí tyristory s vysokým jmenovitým proudem.
Podle typu zátěže se používají jednofázové a třífázové duální převodníky.
1) Jednofázový duální převodník
Schéma zapojení dvojitého převodníku je uvedeno na následujícím obrázku. Jako zátěž se používá samostatně buzený stejnosměrný motor. Svorky DC obou měničů jsou spojeny se svorkami vinutí kotvy. Zde jsou dva jednofázové plné převodníky připojeny zády k sobě. Oba převodníky dodávají společnou zátěž.
Úhel střelby převodníku-1 je α 1 a α 1 je menší než 90 °. Převaděč-1 tedy působí jako usměrňovač. U pozitivního polovičního cyklu (0 <t <π) budou tyristor S1 a S2 provádět a u záporného polovičního cyklu (π <t <2π) tyristor S3 a S4. V této operaci je výstupní napětí i proud kladné. Tato operace je tedy známá jako dopředná motorická operace a převodník pracuje v prvním kvadrantu.
Úhel střelby převodníku-2 je 180 - α 1 = α 2 a α 2 je větší než 90˚. Converter-2 tedy funguje jako invertor. V této operaci zůstává zátěžový proud ve stejném směru. Polarita výstupního napětí je záporná. Převaděč proto pracuje ve čtvrtém kvadrantu. Tato operace se nazývá rekuperační brzdění.
Pro zpětné otáčení stejnosměrného motoru působí měnič-2 jako usměrňovač a měnič-1 jako měnič. Úhel záblesku převodníku-2 α 2 je menší než 90˚. Alternativní zdroj napětí napájí zátěž. V této operaci je zátěžový proud záporný a výstupní průměrné napětí je také záporné. Převaděč-2 proto pracuje ve třetím kvadrantu. Tato operace se nazývá reverzní motorizace.
V opačném provozu je úhel střelby převodníku-1 menší než 90 ° a úhel střelby převaděče-2 je větší než 90 °. V této operaci je tedy zátěžový proud záporný, ale průměrné výstupní napětí je kladné. Převaděč-2 tedy pracuje ve druhém kvadrantu. Tato operace se nazývá zpětné rekuperační brzdění.
Tvar vlny jednofázového duálního převodníku je znázorněn na následujícím obrázku.
2) Třífázový duální převodník
Schéma zapojení třífázového duálního převodníku je znázorněno na následujícím obrázku. Zde jsou dva třífázové převodníky připojeny zády k sobě. Princip činnosti je stejný jako u jednofázového duálního převodníku.
Takhle jsou navrženy duální převodníky a jak již bylo řečeno, obecně se používají k vytváření reverzibilních stejnosměrných pohonů nebo stejnosměrných pohonů s proměnnými otáčkami ve vysoce výkonných aplikacích.