- Vier-Quadranten-Betrieb im Doppelkonverter
- Prinzip
- Praktischer Doppelkonverter
- 1) Doppelwandlerbetrieb ohne zirkulierenden Strom
- 2) Doppelwandlerbetrieb mit zirkulierendem Strom
- 1) Einphasen-Doppelwandler
- 2) Dreiphasen-Doppelwandler
Im vorherigen Tutorial haben wir gesehen, wie ein Dual Power Supply Circuit aufgebaut ist. Jetzt lernen wir Dual Converters kennen, die gleichzeitig AC in DC und DC in AC umwandeln können. Wie der Name schon sagt, hat der Dual Converter zwei Wandler, ein Wandler arbeitet mit einem Gleichrichter (Wandelt AC in DC um) und der andere Wandler arbeitet als Wechselrichter (wandelt DC in AC um). Beide Wandler sind mit einer gemeinsamen Last verbunden, wie in der obigen Abbildung gezeigt. Um mehr über Gleichrichter und Wechselrichter zu erfahren, folgen Sie den Links.
Warum verwenden wir den Doppelkonverter? Wenn nur ein Konverter die Last versorgen kann, warum verwenden wir dann zwei Konverter? Diese Fragen können auftreten und Sie erhalten die Antwort in diesem Artikel.
Hier haben wir zwei Konverter hintereinander angeschlossen. Aufgrund dieser Art der Verbindung kann dieses Gerät für den Betrieb mit vier Quadranten ausgelegt werden. Dies bedeutet, dass sowohl die Lastspannung als auch der Laststrom reversibel werden. Wie ist ein Vierquadrantenbetrieb im Doppelwandler möglich? Das werden wir in diesem Artikel weiter sehen.
Im Allgemeinen werden Doppelwandler für reversible Gleichstromantriebe oder Gleichstromantriebe mit variabler Drehzahl verwendet. Es wird für Hochleistungsanwendungen verwendet.
Vier-Quadranten-Betrieb im Doppelkonverter
Erster Quadrant: Spannung und Strom beide positiv.
Zweiter Quadrant: Spannung ist positiv und Strom ist negativ.
Dritter Quadrant: Spannung und Strom beide negativ.
Vierter Quadrant: Spannung ist negativ und Strom ist positiv.
Von diesen beiden Wandlern arbeitet der erste Wandler in Abhängigkeit vom Wert des Zündwinkels α in zwei Quadranten. Dieser Wandler arbeitet als Gleichrichter, wenn der Wert von α weniger als 90 ° beträgt. Bei diesem Vorgang erzeugt der Wandler eine positive durchschnittliche Lastspannung und einen positiven Laststrom und arbeitet im ersten Quadranten.
Wenn der Wert von α größer als 90 ° ist, arbeitet dieser Wandler als Wechselrichter. Bei diesem Vorgang erzeugt der Wandler eine negative durchschnittliche Ausgangsspannung und die Stromrichtung wird nicht geändert. Deshalb bleibt der Laststrom positiv. Im ersten Quadrantenbetrieb überträgt sich die Energie von der Quelle auf die Last und im vierten Quadrantenbetrieb überträgt sich die Energie von der Last auf die Quelle.
In ähnlicher Weise arbeitet der zweite Wandler als Gleichrichter, wenn der Zündwinkel α kleiner als 90 ° ist, und er arbeitet als Wechselrichter, wenn der Zündwinkel α größer als 90 ° ist. Wenn dieser Wandler als Gleichrichter arbeitet, sind sowohl die durchschnittliche Ausgangsspannung als auch der durchschnittliche Strom negativ. Es arbeitet also im dritten Quadranten und der Stromfluss erfolgt von der Last zur Quelle. Hier dreht sich der Motor in umgekehrter Richtung. Wenn dieser Wandler als Wechselrichter arbeitet, ist die durchschnittliche Ausgangsspannung positiv und der Strom negativ. Es arbeitet also im zweiten Quadranten und der Stromfluss erfolgt von der Last zur Quelle.
Wenn der Strom von der Last zur Quelle fließt, verhält sich der Motor wie ein Generator und dies ermöglicht ein regeneratives Brechen.
Prinzip
Um das Prinzip des Doppelwandlers zu verstehen, nehmen wir an, dass beide Wandler ideal sind. Dies bedeutet, dass sie eine reine DC-Ausgangsspannung erzeugen und an den Ausgangsklemmen keine Welligkeit auftritt. Das vereinfachte Ersatzdiagramm des Doppelwandlers ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Im obigen Schaltplan wird der Wandler als steuerbare Gleichspannungsquelle angenommen und in Reihe mit der Diode geschaltet. Der Zündwinkel der Wandler wird durch einen Steuerkreis geregelt. Die Gleichspannungen beider Wandler sind also gleich groß und entgegengesetzt polarisiert. Dies ermöglicht es, Strom in umgekehrter Richtung durch die Last zu treiben.
Der als Gleichrichter arbeitende Wandler wird als positiver Gruppenwandler bezeichnet, und der andere als Wechselrichter arbeitende Wandler wird als negativer Gruppenwandler bezeichnet.
Die durchschnittliche Ausgangsspannung ist eine Funktion des Zündwinkels. Für einphasige Wechselrichter und dreiphasige Wechselrichter liegt die durchschnittliche Ausgangsspannung in Form der folgenden Gleichungen vor.
E DC1 = E max Cos⍺ 1 E DC2 = E max Cos⍺ 2
Wobei α 1 und α 2 der Zündwinkel von Wandler-1 bzw. Wandler-2 ist.
Für einphasigen Doppelwandler, E max = 2E m / π
Für dreiphasigen Doppelwandler, E max = 3 & supmin; ³E m / π
Für, idealer Konverter, 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
Wie oben diskutiert, ist die durchschnittliche Ausgangsspannung eine Funktion des Zündwinkels. Dies bedeutet, dass wir für die gewünschte Ausgangsspannung den Zündwinkel steuern müssen. Eine Zündwinkelsteuerschaltung kann so verwendet werden, dass, wenn sich das Steuersignal E c ändert, sich die Zündwinkel & agr; 1 und & agr; 2 so ändern, dass sie unter dem Diagramm erfüllen.
Praktischer Doppelkonverter
Praktisch können wir nicht beide Konverter als idealen Konverter annehmen. Wenn der Zündwinkel der Wandler so eingestellt ist, dass ⍺ 1 + ⍺ 2 = 180⁰. In diesem Zustand ist die durchschnittliche Ausgangsspannung beider Wandler in mmagnitude gleich, jedoch in entgegengesetzter Polarität. Aufgrund der Welligkeitsspannung können wir jedoch nicht genau die gleiche Spannung erhalten. So gibt es momentane Spannungsdifferenz an den Gleichspannungsanschlüssen der beiden Wandler, den enormen erzeugen c irculating Strom zwischen den Wandlern und das wird die Last fließen.
Daher ist es im praktischen Doppelwandler erforderlich, den zirkulierenden Strom zu steuern. Es gibt zwei Modi zur Steuerung des Umlaufstroms.
1) Betrieb ohne zirkulierenden Strom
2) Betrieb mit zirkulierendem Strom
1) Doppelwandlerbetrieb ohne zirkulierenden Strom
Bei diesem Typ von Doppelwandler ist nur ein Wandler in Leitung und ein anderer Wandler ist vorübergehend blockiert. Es arbeitet also jeweils ein Konverter und der Reaktor wird nicht zwischen den Konvertern benötigt. Angenommen, der Wandler 1 fungiert zu einem bestimmten Zeitpunkt als Gleichrichter und liefert den Laststrom. In diesem Moment wird Konverter-2 durch Entfernen des Zündwinkels blockiert. Für den Inversionsbetrieb ist der Wandler-1 blockiert und der Wandler-2 liefert den Laststrom.
Die Impulse an den Wandler-2 werden nach einer Verzögerungszeit angelegt. Die Verzögerungszeit beträgt etwa 10 bis 20 ms. Warum wenden wir eine Verzögerungszeit zwischen dem Betriebswechsel an? Es gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb der Thyristoren. Wenn der Wandler-2-Trigger ausgelöst wird, bevor der Wandler-1 vollständig ausgeschaltet ist, fließt eine große Menge zirkulierenden Stroms zwischen den Wandlern.
Es gibt viele Steuerschemata, um einen Zündwinkel für den zirkulationsstromfreien Betrieb des Doppelwandlers zu erzeugen. Diese Steuerschemata sind für den Betrieb sehr hoch entwickelter Steuerungssysteme ausgelegt. Hier ist jeweils nur ein Konverter in Leitung. Daher ist es möglich, nur eine Schusswinkeleinheit zu verwenden. Einige grundlegende Schemata sind unten aufgeführt.
A) Wandlerauswahl nach Steuersignalpolarität
B) Wandlerauswahl nach Laststrompolarität
C) Wandlerauswahl sowohl nach Steuerspannung als auch nach Laststrom
2) Doppelwandlerbetrieb mit zirkulierendem Strom
Ohne Umlaufstromwandler erfordert es ein sehr ausgeklügeltes Steuersystem und der Laststrom ist nicht kontinuierlich. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, gibt es einen Doppelwandler, der mit dem zirkulierenden Strom arbeiten kann. Zwischen den DC-Klemmen beider Wandler ist eine Strombegrenzungsdrossel angeschlossen. Der Zündwinkel beider Wandler ist so eingestellt, dass die minimale Menge an zirkulierendem Strom durch den Reaktor fließt. Wie im idealen Wechselrichter erläutert, ist der Umlaufstrom Null, wenn ⍺ 1 + ⍺ 2 = 180⁰ ist.
Angenommen, der Zündwinkel von Konverter-1 beträgt 60 °, dann muss der Zündwinkel von Konverter-2 bei 120 ° gehalten werden. Bei diesem Vorgang arbeitet der Wandler 1 als Gleichrichter und der Wandler 2 als Wechselrichter. Somit befinden sich bei dieser Art von Betrieb beide Wandler zu einem Zeitpunkt im leitenden Zustand. Wenn der Laststrom umgekehrt wird, arbeitet der als Gleichrichter betriebene Wandler jetzt als Wechselrichter, während der als Wechselrichter betriebene Wandler jetzt als Gleichrichter arbeitet. In diesem Schema leiten beide Wandler gleichzeitig. Es sind also zwei Zündwinkelgeneratoren erforderlich.
Der Vorteil dieses Schemas besteht darin, dass der Konverter zum Zeitpunkt der Inversion reibungslos funktioniert. Das Zeitverhalten des Schemas ist sehr schnell. Die normale Verzögerungszeit beträgt 10 bis 20 ms, wenn der zirkulationsstromfreie Betrieb entfällt.
Der Nachteil dieses Schemas ist, dass die Größe und die Kosten des Reaktors hoch sind. Aufgrund des zirkulierenden Stroms sind Leistungsfaktor und Wirkungsgrad gering. Zur Handhabung des Umlaufstroms werden Thyristoren mit hohen Nennströmen benötigt.
Je nach Art der Last werden einphasige und dreiphasige Doppelwandler verwendet.
1) Einphasen-Doppelwandler
Das Schaltbild des Doppelwandlers ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Als Last wird ein separat erregter Gleichstrommotor verwendet. Die Gleichstromklemmen beider Wandler sind mit den Klemmen der Ankerwicklung verbunden. Hier sind zwei einphasige Vollwandler hintereinander geschaltet. Beide Wandler liefern eine gemeinsame Last.
Der Zündwinkel von Wandler-1 beträgt α 1 und α 1 beträgt weniger als 90 °. Daher wirkt der Wandler-1 als Gleichrichter. Für eine positive Halbwelle (0 <t <π) leiten die Thyristoren S1 und S2 und für eine negative Halbwelle (π <t <2π) leiten die Thyristoren S3 und S4. Bei diesem Vorgang sind Ausgangsspannung und -strom beide positiv. Diese Operation ist also als Vorwärtsmotoroperation bekannt, und der Wandler arbeitet im ersten Quadranten.
Der Zündwinkel von Wandler-2 beträgt 180 - α 1 = α 2 und α 2 ist größer als 90 °. Konverter-2 fungiert also als Wechselrichter. Bei diesem Vorgang bleibt der Laststrom in der gleichen Richtung. Die Polarität der Ausgangsspannung ist negativ. Daher arbeitet der Konverter im vierten Quadranten. Dieser Vorgang wird als regeneratives Bremsen bezeichnet.
Bei Rückwärtsdrehung des Gleichstrommotors fungieren Wandler 2 als Gleichrichter und Wandler 1 als Wechselrichter. Der Zündwinkel von Konverter-2 α 2 beträgt weniger als 90 °. Die alternative Spannungsquelle versorgt die Last. Bei diesem Vorgang ist der Laststrom negativ und die durchschnittliche Ausgangsspannung ebenfalls negativ. Daher arbeitet der Konverter-2 im dritten Quadranten. Dieser Vorgang wird als Rückwärtsfahren bezeichnet.
Im umgekehrten Betrieb beträgt der Zündwinkel des Wandlers 1 weniger als 90 ° und der Zündwinkel des Wandlers 2 mehr als 90 °. Bei diesem Vorgang ist der Laststrom also negativ, aber die durchschnittliche Ausgangsspannung ist positiv. Der Konverter-2 arbeitet also im zweiten Quadranten. Dieser Vorgang wird als Rückwärtsbremsung bezeichnet.
Die Wellenform des einphasigen Doppelwandlers ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
2) Dreiphasen-Doppelwandler
Das Schaltbild des dreiphasigen Doppelwandlers ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Hier sind zwei Drehstromwandler hintereinander geschaltet. Das Funktionsprinzip ist das gleiche wie bei einem einphasigen Doppelwandler.
So werden Doppelwandler konstruiert und, wie bereits erwähnt, im Allgemeinen zum Bau von reversiblen Gleichstromantrieben oder Gleichstromantrieben mit variabler Drehzahl in Hochleistungsanwendungen verwendet.