ภาพรวมของตัวแปลงคู่

ในบทช่วยสอนก่อนหน้านี้เราได้เห็นวิธีการออกแบบวงจรแหล่งจ่ายไฟคู่ตอนนี้เราเรียนรู้เกี่ยวกับตัวแปลงคู่ซึ่งสามารถแปลง AC เป็น DC และ DC เป็น AC ได้ในเวลาเดียวกัน ตามชื่อที่แนะนำว่า Dual Converter มีตัวแปลงสองตัวตัวแปลงหนึ่งตัวทำงานเป็นวงจรเรียงกระแส (แปลง AC เป็น DC) และตัวแปลงอื่น ๆ ทำงานเป็นอินเวอร์เตอร์ (แปลง DC เป็น AC) ตัวแปลงทั้งสองเชื่อมต่อกลับไปด้านหลังด้วยโหลดทั่วไปดังแสดงในภาพด้านบน หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับ Rectifier และ Inverter โปรดไปที่ลิงค์

ทำไมเราใช้ตัวแปลงคู่? หากตัวแปลงเพียงตัวเดียวสามารถจ่ายโหลดได้ทำไมเราถึงใช้ตัวแปลงสองตัว? คำถามเหล่านี้อาจเกิดขึ้นและคุณจะได้รับคำตอบในบทความนี้

ที่นี่เรามีตัวแปลงสองตัวที่เชื่อมต่อกลับไปด้านหลัง เนื่องจากการเชื่อมต่อประเภทนี้อุปกรณ์นี้จึงสามารถออกแบบมาสำหรับการทำงานสี่ส่วน หมายความว่าทั้งแรงดันโหลดและกระแสโหลดสามารถย้อนกลับได้ การทำงานแบบสี่ส่วนสี่ในตัวแปลงคู่เป็นไปได้อย่างไร? ที่เราจะเห็นเพิ่มเติมในบทความนี้

โดยทั่วไปแปลงคู่จะใช้สำหรับไดรฟ์ซีพลิกกลับหรือไดรฟ์ความเร็วตัวแปร DC ใช้สำหรับการใช้งานที่มีกำลังสูง

สี่ Quadrant การทำงานใน Dual Converter

ควอดแรนท์แรก:แรงดันและกระแสทั้งบวก

กำลังสอง:แรงดันไฟฟ้าเป็นบวกและกระแสเป็นลบ

ควอดแรนต์ที่สาม:แรงดันและกระแสทั้งลบ

กำลังสอง:แรงดันไฟฟ้าเป็นลบและกระแสเป็นบวก

จากตัวแปลงทั้งสองตัวนี้ตัวแปลงแรกจะทำงานในสองส่วนขึ้นอยู่กับค่าของมุมยิงα นี้แปลงทำงานเป็น rectifier เมื่อค่าของαน้อยกว่า90˚ ในการดำเนินการนี้ตัวแปลงจะสร้างแรงดันโหลดเฉลี่ยบวกและกระแสโหลดและทำงานในจตุภาคแรก

เมื่อค่าของαมากกว่า90˚, แปลงนี้ทำงานเป็นอินเวอร์เตอร์ในการดำเนินการนี้ตัวแปลงจะสร้างแรงดันเอาต์พุตเฉลี่ยลบและทิศทางของกระแสจะไม่เปลี่ยนแปลง นั่นเป็นสาเหตุที่กระแสโหลดยังคงเป็นบวก ในการดำเนินการควอดแรนต์แรกพลังงานจะถ่ายโอนจากแหล่งที่มาไปยังโหลดและในการดำเนินการควอดแรนต์ที่สี่พลังงานจะถ่ายโอนจากโหลดไปยังแหล่งที่มา

ในทำนองเดียวกันแปลงที่สองทำงานเป็น rectifier เมื่อยิงมุมαน้อยกว่า90˚และจะดำเนินการเป็นอินเวอร์เตอร์เมื่อยิงมุมαมีค่ามากกว่า90˚ เมื่อตัวแปลงนี้ทำงานเป็นวงจรเรียงกระแสแรงดันและกระแสเอาต์พุตเฉลี่ยทั้งสองจะเป็นลบ ดังนั้นมันจึงทำงานในจตุภาคที่สามและการไหลของกำลังจากโหลดไปยังแหล่งที่มา ที่นี่มอเตอร์จะหมุนในทิศทางย้อนกลับ เมื่อตัวแปลงนี้ทำงานเป็นอินเวอร์เตอร์แรงดันเอาต์พุตเฉลี่ยจะเป็นบวกและกระแสเป็นลบ ดังนั้นจึงทำงานในจตุภาคที่สองและการไหลของพลังงานมาจากโหลดไปยังแหล่งที่มา

เมื่อการไหลของพลังงานจากการโหลดไปยังแหล่งที่พฤติกรรมเช่นมอเตอร์เครื่องกำเนิดไฟฟ้าและทำให้การปฏิรูปนี้ทำลายไปได้

หลักการ

เพื่อให้เข้าใจหลักการของตัวแปลงคู่เราถือว่าตัวแปลงทั้งสองนั้นเหมาะอย่างยิ่ง หมายความว่าพวกเขาผลิตแรงดันเอาต์พุต DC บริสุทธิ์ไม่มีการกระเพื่อมที่ขั้วเอาท์พุท แผนภาพเทียบเท่าที่เรียบง่ายของตัวแปลงคู่มีดังแสดงในรูปด้านล่าง

ในแผนภาพวงจรข้างต้นตัวแปลงจะถือว่าเป็นแหล่งแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่ควบคุมได้และเชื่อมต่อเป็นอนุกรมกับไดโอด มุมยิงของคอนเวอร์เตอร์ถูกควบคุมโดยวงจรควบคุม ดังนั้นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงของตัวแปลงทั้งสองจึงมีขนาดเท่ากันและตรงข้ามกันในขั้ว สิ่งนี้ทำให้สามารถขับเคลื่อนกระแสในทิศทางย้อนกลับผ่านโหลดได้

ตัวแปลงที่ทำงานเป็นวงจรเรียงกระแสเรียกว่าตัวแปลงกลุ่มบวกและตัวแปลงอื่นที่ทำงานเป็นอินเวอร์เตอร์เรียกว่าตัวแปลงกลุ่มลบ

แรงดันไฟฟ้าขาออกเฉลี่ยเป็นหน้าที่ของมุมยิง สำหรับอินเวอร์เตอร์เฟสเดียวและอินเวอร์เตอร์สามเฟสแรงดันเอาต์พุตเฉลี่ยอยู่ในรูปของสมการด้านล่าง

E _DC1 = E _{สูงสุด} Cos⍺ ₁ E _DC2 = E _{สูงสุด} Cos⍺ ₂

โดยที่α ₁และα ₂คือมุมยิงของคอนเวอร์เตอร์ -1 และคอนเวอร์เตอร์ -2 ตามลำดับ

สำหรับตัวแปลงคู่เฟสเดียว

E _{สูงสุด} = 2E _m / π

สำหรับตัวแปลงคู่สามเฟส

E _{สูงสุด} = 3√3E _m / π

สำหรับตัวแปลงในอุดมคติ

E _DC = E _DC1 = -E _DC2 E _{สูงสุด} Cos⍺ ₁ = -E _{สูงสุด} Cos⍺ ₂ Cos⍺ ₁ = -Cos⍺ ₂ Cos⍺ ₁ = Cos (180⁰ - ⍺ ₂) ⍺ ₁ = 180⁰ - ⍺ ₂ ⍺ ₁ + ⍺ ₂ = 180⁰

ตามที่กล่าวไว้ข้างต้นแรงดันไฟฟ้าขาออกเฉลี่ยเป็นฟังก์ชันของมุมยิง มันหมายถึงแรงดันขาออกที่ต้องการเราต้องควบคุมมุมยิง สามารถใช้วงจรควบคุมมุมยิงได้ซึ่งเมื่อสัญญาณควบคุม E _cเปลี่ยนไปมุมยิงα ₁และα ₂จะเปลี่ยนไปในลักษณะที่จะตอบสนองกราฟด้านล่าง

ตัวแปลงคู่ที่ใช้งานได้จริง

ในทางปฏิบัติเราไม่สามารถถือว่าตัวแปลงทั้งสองเป็นตัวแปลงในอุดมคติได้ หากตั้งมุมยิงของตัวแปลงในลักษณะที่⍺ ₁ + ⍺ ₂ = 180⁰ ในสภาวะนี้แรงดันเอาต์พุตเฉลี่ยของตัวแปลงทั้งสองจะมีหน่วยเป็นมม. แต่เนื่องจากแรงดันกระเพื่อมเราจึงไม่สามารถรับแรงดันไฟฟ้าเดียวกันได้อย่างแน่นอน ดังนั้นจึงมีความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าทันทีที่ขั้ว DC ของตัวแปลงทั้งสองตัวซึ่งผลิตกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านcจำนวนมหาศาลระหว่างตัวแปลงและจะไหลผ่านโหลด

ดังนั้นในตัวแปลงคู่ที่ใช้งานได้จริงจึงจำเป็นต้องควบคุมกระแสหมุนเวียน มีสองโหมดเพื่อควบคุมกระแสหมุนเวียน

1) การทำงานโดยไม่มีกระแสหมุนเวียน

2) การทำงานกับกระแสไฟฟ้าหมุนเวียน

1) การทำงานของตัวแปลงคู่โดยไม่มีกระแสหมุนเวียน

ในตัวแปลงคู่ประเภทนี้ตัวแปลงเพียงตัวเดียวเท่านั้นที่อยู่ในการนำไฟฟ้าและตัวแปลงอื่นจะถูกบล็อกชั่วคราว ดังนั้นในแต่ละครั้งตัวแปลงหนึ่งจะทำงานและไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องปฏิกรณ์ระหว่างตัวแปลง ในช่วงเวลาหนึ่งสมมติว่า converter-1 ทำหน้าที่เป็นวงจรเรียงกระแสและจ่ายกระแสโหลด ในขณะนี้คอนเวอร์เตอร์ -2 ถูกปิดกั้นโดยการลบมุมยิง สำหรับการดำเนินการผกผันตัวแปลง -1 จะถูกบล็อกและตัวแปลง -2 กำลังจ่ายกระแสโหลด

พัลส์ของตัวแปลง -2 จะถูกนำไปใช้หลังจากเวลาล่าช้า เวลาที่ล่าช้าเป็นเวลาประมาณ10 ถึง 20 มิลลิวินาที เหตุใดเราจึงใช้เวลาล่าช้าระหว่างการเปลี่ยนแปลงการดำเนินการ ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการทำงานที่เชื่อถือได้ของไทริสเตอร์ หากตัวแปลง -2 ทริกเกอร์ก่อนที่คอนเวอร์เตอร์ -1 จะปิดอย่างสมบูรณ์กระแสไฟฟ้าหมุนเวียนจำนวนมากจะไหลระหว่างตัวแปลง

มีรูปแบบการควบคุมมากมายในการสร้างมุมยิงสำหรับการหมุนเวียนการทำงานฟรีในปัจจุบันของตัวแปลงคู่ รูปแบบการควบคุมเหล่านี้ออกแบบมาเพื่อใช้งานระบบควบคุมที่ซับซ้อนมาก ที่นี่ในแต่ละครั้งจะมีตัวแปลงเพียงตัวเดียวเท่านั้นที่เป็นตัวนำ ดังนั้นจึงสามารถใช้หน่วยมุมยิงเพียงชุดเดียว รูปแบบพื้นฐานบางประการแสดงอยู่ด้านล่าง

A) การเลือกตัวแปลงตามขั้วสัญญาณควบคุม

B) การเลือกตัวแปลงตามขั้วกระแสโหลด

C) การเลือกตัวแปลงโดยทั้งแรงดันควบคุมและกระแสโหลด

2) การทำงานของตัวแปลงคู่พร้อมกระแสหมุนเวียน

หากไม่มีตัวแปลงกระแสหมุนเวียนต้องใช้ระบบควบคุมที่ซับซ้อนมากและกระแสโหลดไม่ต่อเนื่อง เพื่อเอาชนะปัญหาเหล่านี้มีตัวแปลงคู่ซึ่งสามารถทำงานกับกระแสหมุนเวียนได้ ปฏิกรณ์ จำกัด ปัจจุบันมีการเชื่อมต่อระหว่างขั้ว DC ของทั้งสองแปลง มุมการยิงของตัวแปลงทั้งสองถูกกำหนดในลักษณะที่ปริมาณกระแสหมุนเวียนขั้นต่ำไหลผ่านเครื่องปฏิกรณ์ ตามที่กล่าวไว้ในอินเวอร์เตอร์ในอุดมคติกระแสหมุนเวียนจะเป็นศูนย์ถ้า⍺ ₁ + ⍺ ₂ = 180⁰

สมมติว่ามุมยิงของคอนเวอร์เตอร์ -1 เท่ากับ60˚จากนั้นต้องรักษามุมยิงของคอนเวอร์เตอร์ -2 ไว้ที่120˚ ในการดำเนินการนี้คอนเวอร์เตอร์ -1 จะทำงานเป็นวงจรเรียงกระแสและคอนเวอร์เตอร์ -2 จะทำงานเป็นอินเวอร์เตอร์ ดังนั้นในการดำเนินการประเภทนี้ในขณะที่ตัวแปลงทั้งสองอยู่ในสถานะดำเนินการ หากกระแสโหลดกลับด้านตัวแปลงที่ทำงานเป็นวงจรเรียงกระแสจะทำงานเป็นอินเวอร์เตอร์ในขณะที่ตัวแปลงที่ทำงานเป็นอินเวอร์เตอร์จะทำงานเป็นวงจรเรียงกระแส ในรูปแบบนี้ตัวแปลงทั้งสองจะดำเนินการในเวลาเดียวกัน ดังนั้นจึงต้องใช้หน่วยกำเนิดมุมยิงสองตัว

ข้อดีของโครงร่างนี้คือเราสามารถใช้งานตัวแปลงได้อย่างราบรื่นในเวลาที่ผกผัน เวลาตอบสนองของโครงการเร็วมาก ระยะเวลาหน่วงเวลาปกติคือ 10 ถึง 20 มิลลิวินาทีในกรณีที่ไม่มีการหมุนเวียนกระแสไฟฟ้าจะถูกตัดออก

ข้อเสียของโครงการนี้คือขนาดและต้นทุนของเครื่องปฏิกรณ์สูง เนื่องจากกระแสไฟฟ้าหมุนเวียนปัจจัยด้านกำลังและประสิทธิภาพจึงต่ำ ในการจัดการกับกระแสหมุนเวียนจำเป็นต้องใช้ไทริสเตอร์ที่มีพิกัดกระแสสูง

ตามที่ประเภทของการโหลดเฟสเดียวและสามเฟสแปลงคู่ถูกนำมาใช้

1) ตัวแปลงคู่เฟสเดียว

แผนภาพวงจรของตัวแปลงคู่แสดงในรูปด้านล่าง ใช้มอเตอร์กระแสตรงแบบตื่นเต้นแยกต่างหากเป็นโหลด ขั้ว DC ของตัวแปลงทั้งสองเชื่อมต่อกับขั้วของขดลวดกระดอง ที่นี่ตัวแปลงเต็มเฟสเดียวสองตัวเชื่อมต่อกลับไปด้านหลัง ตัวแปลงทั้งสองมีโหลดร่วมกัน

มุมยิงของแปลง-1 เป็นα ₁และα ₁น้อยกว่า90˚ดังนั้นคอนเวอร์เตอร์ -1 จึงทำหน้าที่เป็นวงจรเรียงกระแส สำหรับครึ่งรอบบวก (0 <t <π) ไทริสเตอร์ S1 และ S2 จะดำเนินการและสำหรับครึ่งรอบที่เป็นลบ (π <t <2π) ไทริสเตอร์ S3 และ S4 จะดำเนินการ ในการดำเนินการนี้แรงดันขาออกและกระแสไฟฟ้าทั้งสองเป็นบวก ดังนั้นการดำเนินการนี้เรียกว่าการทำงานของมอเตอร์เดินหน้าและตัวแปลงจะทำงานในควอดแรนท์แรก

มุมยิงของแปลง-2 เป็น 180 - α ₁ = α ₂และα ₂มีค่ามากกว่า90˚ดังนั้นตัวแปลง -2 จึงทำหน้าที่เป็นอินเวอร์เตอร์ ในการดำเนินการนี้กระแสโหลดจะยังคงอยู่ในทิศทางเดียวกัน ขั้วของแรงดันไฟฟ้าขาออกเป็นลบดังนั้นตัวแปลงจึงทำงานในควอดแรนท์ที่สี่ การดำเนินการนี้เรียกว่าการเบรกแบบปฏิรูป

สำหรับการหมุนย้อนกลับของมอเตอร์กระแสตรงตัวแปลง -2 ทำหน้าที่เป็นวงจรเรียงกระแสและตัวแปลง -1 ทำหน้าที่เป็นอินเวอร์เตอร์ มุมยิงของคอนเวอร์เตอร์ -2 α ₂น้อยกว่า90˚ แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าสำรองจ่ายโหลด ในการดำเนินการนี้กระแสโหลดจะเป็นลบและแรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยขาออกจะเป็นลบด้วย ดังนั้นตัวแปลง -2 จึงทำงานในควอดแรนต์ที่สาม การดำเนินการนี้เรียกว่าการเคลื่อนที่ย้อนกลับ

ในการทำงานย้อนกลับมุมยิงของคอนเวอร์เตอร์ -1 จะน้อยกว่า90˚และมุมยิงของคอนเวอร์เตอร์ -2 มากกว่า90˚ ดังนั้นในการดำเนินการนี้กระแสโหลดจะเป็นลบ แต่แรงดันขาออกเฉลี่ยเป็นบวก ดังนั้นตัวแปลง -2 จึงทำงานในจตุภาคที่สอง การดำเนินการนี้เรียกว่าการเบรกแบบย้อนกลับ

รูปคลื่นของคอนเวอร์เตอร์คู่เฟสเดียวดังแสดงในรูปด้านล่าง

2) ตัวแปลงคู่สามเฟส

แผนภาพวงจรของตัวแปลงคู่สามเฟสดังแสดงในรูปด้านล่าง ที่นี่ตัวแปลงสามเฟสสองตัวเชื่อมต่อกลับไปด้านหลัง หลักการทำงานเหมือนกับตัวแปลงคู่เฟสเดียว

นี่คือวิธีการออกแบบตัวแปลงคู่และตามที่บอกไปแล้วว่าโดยทั่วไปจะใช้ในการสร้างไดรฟ์ DC แบบย้อนกลับหรือไดรฟ์ DC ความเร็วตัวแปรในแอปพลิเคชันที่ใช้พลังงานสูง