alkalmazásaik
6.1. Többnegyedes, bemenő hálózat oldali külső természetes kommutációjú egyenirányítók egyenirányítók
6.1.2. Az egyenirányítók energetikai vizsgálata
Térjünk vissza az egyenirányított feszültség középértékéhez és végezzünk egy energetikai vizsgálatot az egyenirányító működésével kapcsolatban. A 6.2. ábra szerint az egyenáramú teljesítmény az átalakító kimenetén:
d d d
P =U I (6.8)
Váltakozó áramú energiát konvertálunk egyenáramú energiává és az egyenáramú terhelés felé továbbítjuk. Az elektromechanikai átalakító, azaz a villamos gép ezt a villamos energiát mechanikai energiává alakítja, mellyel egy munkagépet hajt meg. Az energia és a forgási irány is pozitív.
Az elektromágneses nyomaték is pozitív:
em d
M =CI (6.9)
és az elektromotoros (belső) feszültség is pozitív lesz:
E=C
ω
(6.10)A mechanikai teljesítmény is – melyet a munkagép kap – pozitív:
m em
P = M ω
(6.11)A vizsgálatainkból elhanyagoljuk a súrlódási nyomatékot, az M0 üresjárási nyomatékot, melynek az értéke sokkal kisebb, mint a mechanikai Mm nyomaték értéke a motor tengelyén névleges terhelésnél. Tehát Mm = Mem = állandó terhelést tételezhetünk fel sebességtől függetlenül. Mivel M0
gyakorlatilag ugyancsak állandó, de reaktív hatással is bír, ezért előjelet vált a fordulatszám irányának megváltozásánál, az egyenirányított áram középértéke is megváltozik kissé, ha a fordulatszám negatívba változik. Ezeket a részleteket mellőzve dolgozzunk állandó elektromágneses nyomatékkal.
Ez a megközelítés nem rontja az analízisünk alapelemeit, de megkönnyíti a háttérben lejátszódó fizikai jelenségek megértését.
Mivel az áram alapharmonikusa a transzformátor primerjében Ip effektív értékkel, fáziskésében van a feszültséghez képest, az átalakító a váltakozó áramú hálózattól az alábbi teljesítményt kapja:
( )
p p pcos
P =U I
α
(6.12)amely pozitív ugyancsak.
A meddő (reaktív) teljesítmény is pozitív lesz, melynek értéke:
( )
p p psin
Q =U I
α
(6.13)Ezekből a mennyiségekből a látszólagos teljesítmény:
173
2 2
p p p p p
S = P +Q =U I (6.14)
Mivel a primer feszültség szinuszos, felharmonikus teljesítmény nem továbbítódik. Azt mondjuk, hogy a vizsgált átalakító egyenirányító üzemmódban dolgozik az első síknegyedben, Id > 0, Ud > 0.
Hasznos (aktív) váltakozó áramú energiából egyenáramú energiát alakítunk át. Fontos megemlítenünk, hogy a (6.12) és (6.13) összefüggésekben figyelembe vett α fáziskésés éppen a tirisztorok vezérlési szögével egyezik meg az egyfázisú vezérelt egyenirányítók esetében. A félig vezérelt és többfázisú átalakítóknál vagy azoknál melyek szabadon futó diódákkal vannak ellátva, a fáziskésés nem lesz ugyanaz. Formálisan azonban az összefüggések nem változnak a feszültség és az áram fáziskésésének más értékeire. Feltételezzük tehát, hogy a terhelő nyomaték a motor tengelyén állandó és nem függ a sebességtől valamint elhanyagoltuk a villamos gép üresjárási nyomatékát is.
Ilyen feltételek mellett korábban már tárgyaltuk, hogy az elektromágneses nyomaték és implicit az egyenirányított áram is állandók a (6.9) egyenletnek megfelelően. Ha az α vezérlési szög növekedik, akkor az egyenirányított kimeneti feszültség középértéke csökken, a motor sebessége lassul, az E elektromotoros (belső) feszültség csökken és nő az áram és feszültség közti fáziskésés a primer körben. Az átalakított hasznos (aktív) energia csökken és nő a meddő (reaktív) teljesítmény, de az átalakító rendszer állandó látszólagos teljesítményen üzemel!
Ha a tirisztorok vezérlési szöge 90°, akkor az egyenirányított feszültség hullámának jellemzője az lesz, hogy a pozitív részek területe megegyezik a negatív rész területével, és így az ideális egyenirányított feszültség középértéke nullává válik a (6.6) egyenletnek megfelelően. Üresben a villamos gépnek meg kellene állnia, de a súrlódási nyomatéknak köszönhetően a motor visszafelé forog kis fordulatszámmal. A munkagép (terhelőgép) a villamos gép számára a tengelyen mechanikai energiát szállít a súrlódási nyomaték értékének megfelelőt (amely pozitív ebben az esetben). Ez a teljesítmény melyet a (6.11) egyenlet ír le nagyon kis értékű és negatív, mivel ω negatív. Az elektromágneses nyomaték változatlan marad, Mem = Mm = állandó, és következésképpen (6.9) egyenletnek megfelelően az egyenirányított áram értéke sem változik. (6.10) egyenletnek megfelelően az elektromotoros feszültség (E) negatív kis értékű lesz. Értéke (6.7) egyenletnek megfelelően, amelyben Ud = 0 éppen az ohmikus feszültségeséssel fog megegyezni a motor kapcsain. Mivel Ud
értéke nulla, az egyenáramú teljesítmény is nulla, tehát nem alakítódik át váltakozó áramú energia egyenáramú energiává. Ténylegesen a primer köri hasznos teljesítmény is nulla, mivel α = 90°. Up és Ip
nem változik és az Sp látszólagos teljesítmény változatlan marad, de a teljes látszólagos teljesítmény fiktív meddő teljesítmény (Qp) lesz és α = 90°-nál maximális. Az átalakító csak induktív meddő teljesítmény cserét végez a váltakozó áramú hálózattal. Azt mondjuk, hogy az átalakító az egyenirányító és inverter üzemmód határán mozog.
Ha a tirisztorok vezérlési szöge tovább növekedne az α = 180° felé, akkor az ideális egyenirányított kimeneti feszültség középértéke negatívvá válna és növekedne. A feszültség jelet a nagyobb negatív feszültségű részek jellemeznék a pozitív feszültségű részekkel szemben, azaz a negatív részek területe meghaladná a pozitív részek területét. A (6.10) egyenletnek megfelelően növekedne a motor sebessége fordított irányban és az elektromotoros feszültség is egy negatív E értéken stabilizálódna, amelyen a konverter áramának értéke megőrzi régi Id értékét, az elektromágneses nyomaték (Mem) értékének megfelelően, ami nem változik. Tehát ez esetben is E kisebb, mint az Ud, vagy másképp mondva negatív és abszolút értékben nagyobb, mint az Ud. Visszatérve az elektromágneses és mechanikai teljesítményekhez megállapíthatjuk, hogy negatívak, azaz a terhelő gép hajtja a villamos gépet, mely villamos generátor üzemben dolgozik. Ilyenkor a konverter egyenáramú teljesítményt
174
alakít át váltakozó áramú teljesítménnyé, mivel a Pd negatív lesz. Mivel a tirisztorok vezérlési szöge nagyobb, mint 90°, a (6.12) által definiált teljesítmény negatív és a váltakozó áramú hálózat hasznos (aktív) teljesítményt vesz át az átalakítóból. Ahogy nő a vezérlési szög értéke, úgy nő a generált hasznos teljesítmény is a meddő (reaktív) pozitív teljesítmény pedig csökken oly módon, hogy a látszólagos teljesítmény változatlan marad. Azt mondjuk, hogy az átalakító inverter üzemben dolgozik (fordított egyenáramú üzem) a IV.-es síknegyedben, ahol Ud < 0 és Id > 0. Tehát a váltakozó áramú-egyenáramú átalakító az energia áramlás bármilyen irányát engedélyezi. Itt az ideje, hogy levonjunk az eddigiekből néhány fontos konklúziót:
• A fentebb említett működési tartományok, csak abban az esetben lehetségesek, ha aktív terhelésünk van, mely akkor is fenn tudja tartani a pozitív áramot, ha a feszültség negatívvá válik. A villamos motor helyett / mellett egy elektrokémikus akkumulátor is be tudja tölteni ezt a szerepet, ha ellenőrzött módon történik a kisütése az átalakító inverter üzemmódjában.
Passzív terhelés esetében, amikor nincs elektromotoros feszültség a kimenő körben, az áramkör α = 90°-nál lezár.
• Még egyszer kihangsúlyozzuk, hogy a fenti analízis csak simító tekercs jelenlétében érvényes, melynek igen nagy induktivitása van. Amennyiben a terhelés csak rezisztív jellegű lenne az átalakító csak az I. síknegyedben működne a tirisztorok természetes oltásával, sokkal egyszerűbb ilyenkor a mögöttes fizikai jelenségeket is megérteni.
• A jelenlegi példánkban a terhelés az I. és IV. síknegyedekben tud működni akár csak az átalakító, melyet a későbbiekben még meg fogunk vizsgálni a valós kimeneti feszültség középértékének a számításánál.
• Mivel a konverter állandó látszólagos teljesítményen dolgozik, nagy és nagyon nagy teljesítményű berendezéseknél a teljesítmény tényező dinamikus javítását elősegítő pótlólagos kompenzáló áramköröket kell alkalmazni a vezérlési szögek értékének megfelelően.
• Annak ellenére, hogy az energetikai vizsgálatokban nem szerepel, nem elhanyagolható az átalakító torzulásos üzeme sem.
• A két negyedes üzem kérdéskörei nagyon hasonlatosak az egyenáramú szaggatók esetével, melyek bipoláris feszültségimpulzusokkal működnek és tárgyalni fogjuk őket a 7.1.
fejezetben.
• A fenti energetikai vizsgálatokat hasonló módon ki lehet terjeszteni közbenső egyenáramú körös frekvenciaváltók területére is, azzal a megjegyzéssel, hogy a frekvenciaváltó, amely a váltakozó áramú villamos gépet táplálja négy negyedes működésre képes, míg a váltakozó áramú-egyenáramú konverter – mely a közbenső egyenfeszültség előállítását végzi – két negyedes működésre képes kell hogy legyen az I. és II. síknegyedben. Ezeket az elemeket még tárgyaljuk a 8. fejezetben.
• A fenti energiamérleg a felhasználó oldalán érzékelt egyenáramú teljesítményekre vonatkozik. Az energiamegmaradás törvényével összhangban az energia átalakítás során létezik egy pillanatnyi teljesítmény mérleg számítás is, 100Hz-es frekvencián.
Mindegyik félperiódus belsejében, amikor az egyenirányított feszültség pillanatnyi értéke pozitív a váltakozó áramú hálózatból pillanatnyi teljesítményt veszünk fel és akkor, ha az egyenirányított feszültség értéke negatív, teljesítményt szolgáltatunk a váltakozó áramú hálózat számára.
( ) ( )
d d d
p t =u t I (6.15)
175