На судне всегда имеются потребители электроэнергии, для которых требуется род тока, напряжение или частота, отличные ют принятых в судовой электростанции. В большинстве случаев оказывается целесообразным не специальное генерирование необходимого тока, а получение его путем преобразования электроэнергий судовой сети. К этому следует добавить и различные преобразования электроэнергии в устройствах судовой электроавтоматики.
На судах имеется потребность в следующих преобразованиях электрического тока: переменного тока в постоянный — выпрямление; постоянного тока в переменный — инвертирование; переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты — преобразование частоты; постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения.
Все виды преобразований могут осуществляться электромеханическими либо статическими преобразователями. К электромеханическим, или вращающимся, преобразователям относятся двигатель-генераторы и одноякорные преобразователи, к статическим — полупроводниковые, электронные, ионные и ртутные преобразователи.
На некоторых судах пока еще существуют электромеханические преобразователи, но их все более вытесняют полупроводниковые. Электронные преобразователи применяют, в слаботочных установках (радиоаппаратуре). Ионные преобразователи с использованием газотронов и тиратронов, а также ртутные еще применяют в промышленных установках на берегу, но и они вытесняются полупроводниковыми преобразователями.
Двигатель-генераторы представляют собой агрегаты, состоящие из двух электрических машин — двигателя и генератора, соединенных между собой механически посредством муфты. Работа, таких преобразователей основана на двойном преобразовании энергии. Например, в электромеханическом преобразователе переменного тока в постоянный электроэнергия переменного тока преобразуется сначала в механическую в двигателе, а затем механическая энергия преобразуется вновь в электрическую в генераторе, но уже постоянного тока. Такой агрегат позволяет регулировать на выходе плавно в широких пределах напряжение, а в преобразователях частоты — и частоту переменного тока.
Двигатель-генераторы имеют сравнительно невысокий к. п. д (n≈0,7), большие размер и массу, высокую стоимость, но благодаря возможности использования серийных машин и широким пределам регулирования их до настоящего времени все еще применяют в береговых установках и на некоторых судах.
Двигатель-генераторы, преобразующие переменный ток в постоянный, установлены на судах для питания электроприводов лебедок, кранов, брашпилей, руля, требующих широкого и плавного регулирования скорости, а также больших пусковых моментов.
Двигатель-генераторы, преобразующие постоянный ток в переменный, на некоторых судах с электростанцией постоянного тока служат для питания электро- и радионавигационной аппаратуры, устройств связи, машинного телеграфа, сети освещения, бытовых приборов, приводов механизмов с двигателями переменного тока, не требующих регулирования. На судах с электростанцией переменного тока их можно использовать для питания ответственных потребителей переменного тока от аккумуляторных батарей, служащих в качестве аварийного источника.
Для питания судовых электро- и радионавигационных приборов, радиопередающих устройств применяют двигатель-генераторы, служащие для преобразования переменного тока судовой сети с частотой 50 Гц в переменный одно- или трехфазный ток повышенной частоты (400—500 Гц).
На некоторых судах можно еще встретить одноякорные преобразователи, представляющие собой электрическую машину для преобразования переменного тока в постоянный или обратно. В такой машине совмещены одновременно двигатель и генератор. Одноякорные преобразователи можно применять для питания навигационных приборов, радиоприемников и трансляционных узлов.
Многих недостатков, которые присущи электромеханическим- преобразователям, лишены статические преобразователи, в которых преобразование энергии осуществляется непосредственно без промежуточных преобразований. При этом полупроводниковые преобразователи по сравнению с электромеханическими и статическими ламповыми и ионными имеют следующие преимущества, особенно важные для судовых установок: значительно меньшие массу и размеры, высокой к. п. д., мгновенную готовность к работе, высокую виброустойчивость и ударопрочность, простоту в обслуживании, размещении и монтаже и т. д.
С помощью статических полупроводниковых преобразователей можно осуществлять выпрямление и инвертирование тока, преобразование частоты и напряжения.
§ 7. ВЫПРЯМЛЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Выпрямление переменного тока с помощью полупроводниковых преобразователей осуществляется по структурной схеме (рис. 17), включающей источник 1, выпрямитель 2, приемник 3.
Рис. 17. Структурная схема выпрямителя
Схема выпрямления включает четыре важнейших узла: силовой трансформатор Тр, вентильный блок В, блок управления БУ и, сглаживающий фильтр Ф.
Силовой трансформатор служит для согласования входного напряжения переменного тока и выходного выпрямленного напряжения, а также для преобразования числа фаз питающей системы напряжений соответственно числу фаз вентильного блока. Трансформатор позволяет также осуществлять электрическую изоляцию между входными и выходными цепями выпрямителя.
Вентильный блок осуществляет в схеме основную функцию преобразования переменного тока в постоянный. Он состоит из полупроводниковых неуправляемых или управляемых вентилей, которые соединены между собой в определенную схему, называемую схемой выпрямления.
Блок управления имеется, только при наличии управляемых вентилей (тиристоров) в схеме выпрямления. Он служит для управления подачей сигналов на управляющие электроды тиристоров.
Сглаживающий фильтр представляет собой схему, собранную из катушек индуктивностей и конденсаторов; предназначен для сглаживания пульсаций выпрямленного тока.
Силовой трансформатор и сглаживающий фильтр, играющие по существу вспомогательную роль, в отдельных случаях могут отсутствовать.
Известно множество схем выпрямителей, различающихся способом включения вентилей и схемой соединения обмоток трансформатора. Чтобы упростить рассмотрение принципа действия схем выпрямителей, целесообразно сделать некоторые допущения, а именно: выпрямитель работает на нагрузку с чисто активным сопротивлением; вентили являются идеальными, т. е. можно пренебречь их прямым напряжением и обратным током; активным сопротивлением и индуктивностью рассеяния обмоток трансформатора можно пренебречь. Основные величины, характеризующие работу схем выпрямления, приведены в табл. 2.
Однофазная однополупериодная схема выпрямления с неуправляемым вентилем.
Схема (рис. 18, а) состоит из одного вентиля В, включенного последовательно с резистором нагрузки R в цепь вторичной обмотки трансформатора. На первичную обмотку трансформатора подается синусоидальное напряжение u1.
В течение положительной полуволны напряжения и2 вторичной обмотки (рис. 18, б), когда анод вентиля имеет положительный потенциал по отношению к катоду (прямое включение), вентиль беспрепятственно пропускает ток.
Таблица 2
Принимая во внимание сделанные допущения, можно считать, что напряжение и0 на резисторе нагрузки будет равно напряжению вторичной обмотки и2 (рис. 18, в). Под действием этого напряжения в резисторе протекает ток, мгновенное значение которого равно (рис. 18, г)
При наступлении второй половины периода, когда вторичное напряжение меняет свой знак, вентиль препятствует прохождению тока в цепи, так как включен в обратном направлении. Отсутствие тока (i0=0) означает и отсутствие напряжения на резисторе нагрузки (и2=0). Поэтому отрицательная полуволна напряжения и2 полностью прикладывается к вентилю (ив=и2).
По истечении полного периода напряжение и2 вновь становится положительным, и явления в выпрямителе повторяются. Как видно из рис. 18, в, г, выпрямленные ток i0 и напряжение и0 пульсируют, т. е. колеблются, не меняя своего направления.
Среднее значение выпрямленного напряжения за период, или (что то же) постоянная составляющая этого напряжения, определяется интегрированием переменного напряжения в пределах полупериода, так как в течение второго полупериода выпрямленное напряжение равно нулю:
(7) где U2 — действующее напряжение вторичной обмотки трансформатора.
Рис. 18. Однофазная однополупериодная схема выпрямления с неуправляемым вентилем
(8)
Для однофазной однополупериодной схемы коэффициент пульсации kп= 1,57.
Типовая мощность трансформатора (без вывода) Pт=3,09Р0, где P0=U0I0 — выпрямленная мощность, являющаяся исходной расчетной величиной при конструировании выпрямителя.
Однофазная однополупериодная схема выпрямления с управляемым вентилем.
При включении в однофазную однополупериодную схему выпрямления управляемого вентиля (тиристора) УВ (рис. 19, а) можно регулировать среднее значение тока через нагрузку путем сдвига момента подачи импульсов управления относительно начала положительной полуволны напряжения и2 (рис. 19, б). Задерживая момент подачи отпирающего импульса на угол α, называемый углом отпирания вентиля или углом регулирования выпрямителя, можно как бы изменять момент подключения нагрузки к питающему напряжению. Для двух значений угла (α1 =60°, α2=120°) кривые выпрямленных напряжения и тока будут иметь вид, приведенный на рис. 19, в, г. Зависимости средних значений
выпрямленных напряжения и тока от угла отпирания можно выразить соотношениями
(9)
Изменение угла отпирания оказывает влияние на коэффициент пульсаций выпрямленных напряжения и тока, на форму токов нагрузки, вентиля, трансформатора, а также на соотношение их действующих, средних и максимальных значений.
Однофазная двухполупериодная схема выпрямления.
Рис. 19. Однофазная однополупериодная схема выпрямления с управляемым вентилем
Рис. 20. Однофазная двухполупериодная схема выпрямления
Схема представляет собой объединение двух уже рассмотренных однофазных схем, включенных на общую нагрузку (рис. 20, а). Полуобмотки вторичной обмотки трансформатора включены так, что напряжения на их зажимах иА и иВ находятся в противофазе (рис. 20, б). В первую половину периода, когда напряжение иА положительно, открывается вентиль В1 и ток нагрузки протекает под действием напряжения иА. Вентиль В2 при этом заперт, и ток
через него не проходит. Во вторую половину периода, когда положительным становится напряжение иВ, открывается вентиль В2, и ток нагрузки протекает под действием напряжения иВ. В результате выпрямленные ток и напряжение не имеют перерывов, как в однополупериодной схеме (рис. 20, в, г), но коэффициент пульсаций остается весьма значительным (kп = 0,67).
Среднее значение выпрямленного напряжения выпрямителя
Однофазная мостовая схема выпрямления.
Схема (рис. 21, а) состоит из однофазного трансформатора, включенных в мост четырех выпрямителей, через которые получает питание резистор нагрузки. Во время положительной полуволны напряжения и2 (рис. 21, б) открыты вентили В1 и В3, ток нагрузки протекает через обмотку трансформатора и указанные вентили. В следующий полупериод открываются вентили В2 и В4, ток нагрузки протекает через трансформатор в обратном направлении. В резисторе же нагрузки в обоих случаях направление тока не изменяется. Кривые выпрямленных тока и напряжения имеют такой же вид, как в однофазной двухполупериодной схеме выпрямления (рис.
Рис. 21. Однофазная мостовая схема выпрямления
Рис. 22. Трехфазная схема выпрямления
21, в, г). Поэтому средние, максимальные и действующие значения этих величин определяются по формулам для этой схемы. В этих формулах U2 — действующее напряжение вторичной обмотки трансформатора.
Обратные напряжения на вентилях мостовой схемы равны напряжению вторичной обмотки трансформатора. Максимальное обратное напряжение составляет (рис. д) Uобр т=U2т= √2U2= 1,57U0, т. e. в 2 раза меньше, чем в однофазной полупериодной схеме выпрямления. Это является одним из достоинств мостовой схемы.
Расчетная мощность трансформатора (без вывода) Рт— 1,23Р0, т. е. меньше, чем в рассмотренных уже однофазных схемах.
Однофазная мостовая схема выпрямления с управляемыми вентилями имеет те же пределы регулирования выпрямленного тока напряжения U0 и мощности Р0, что и однофазная двухполупериодная схема. При этом для управления режимом работы однофазной мостовой схемы достаточно, чтобы в парах вентилей B1, В3 и В2, В4 (см. рис. 21, а) было лишь по одному управляемому вентилю.
Трехфазная схема выпрямления.
Схема (рис. 22, а), предложенная акад. В. Ф. Миткевичем, питается от трехфазной цепи через трехфазный трансформатор, вторичная обмотка которого
соединена звездой. Вентили включаются последовательно с каждой фазой вторичной обмотки трансформатора, а резистор нагрузки — между нейтральными точками М и N обмотки и вентилей.
Работа каждой фазы протекает поочередно. Например, в момент времени t0 (рис. 22, б), когда из трех фазных напряжений иА, иВ и иС, составляющих симметричную трехфазную систему, положительным является только иА, питать резистор нагрузки может только фаза А через вентиль В1. При этом напряжение и0 на резисторе будет равно фазному напряжению питающей фазы
Обратные напряжения на вентилях в трехфазной схеме (рис. 22, д) Uобрт=√U32т =√6U2 = 2,09U0.
Расчетная мощность трансформатора (без вывода) Рт=1,37 Р0.
Коэффициент пульсации трехфазной схемы выпрямления значительно меньше, чем у рассмотренных уже схем (kп=0,25).
