Ошибка

ТРЕХФАЗНЫЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ С ВЫВОДОМ ОТ СРЕДНЕЙ ТОЧКИ ТРАНСФОРМАТОРА

Категория: Электроприводы
Опубликовано 29.06.2011 10:15
Автор: Super User
Просмотров: 7584

ТРЕХФАЗНЫЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ С ВЫВОДОМ ОТ СРЕДНЕЙ ТОЧКИ ТРАНСФОРМАТОРА

Рассмотрим такую схему с соединением вторичных обмоток трансформатора в звезду (рис. 1, а). При a=0 она работает как неуправляемый выпрямитель. Каждый вентиль работает 1/3 периода, когда в обмотке, к которой он подключен, имеет место наивысшее напряжение (другие вентили в этот момент заперты, так как находятся под обратным напряжением). Переход тока от вентиля к вентилю осуществляется в момент пересечения кривых фазных напряжений, выпрямленный ток протекает через нагрузку постоянно (пульсирующий).

Рис. 1. Трехфазный УВ с выводом от средней точки трансформатора (а) и с соединением обмоток в зигзаг (б)

При [image] работа схемы в большей степени зависит от характера нагрузки. Диаграммы напряжений и токов при чисто активной нагрузке для разных углов регулирования [image] приведены на рис. 2. При [image] процесс отпирания очередного тиристора (например, VD1, включенного в фазу а) происходит до того момента, когда напряжение в предыдущей фазе с еще не снизилось до нуля. В результате ранее работавший тиристор VD3 закроется, так как напряжение в фазе с меньше, чем в фазе а, ток нагрузки перейдет из фазы с в фазу а, но до нулевого значения не упадет, т. е. останется непрерывным. Критическая точка - [image] .


При изменении [image] в этих пределах регулировочная характеристика описывается уравнением

[image] ,

где [image] .

Рис. 2. Диаграммы работы трехфазного нулевого УВ на активную нагрузку при различных углах регулирования

При [image] сигнал на открытие очередного тиристора подается после того, как естественным образом закроется предыдущий, т. е. в кривой выпрямленного тока появляются паузы, где I d =0. Длительность прохождения тока через каждый вентиль становится меньше трети периода. В этом случае регулировочная характеристика будет описываться уравнением

[image] ,

предельный угол регулирования на активную нагрузку составляет 150°.


При соединении вторичных обмоток в звезду в каждой из них ток протекает только в одном направлении. В сердечниках трансформатора возникает явление подмагничивания постоянной составляющей вторичного тока (потоки вынужденного подмагничивания). Это может привести к насыщению магнитопровода, увеличению намагничивающего тока и появлению дополнительных нелинейностей в кривой тока нагрузки. Для устранения этого явления приходится либо увеличивать сечение магнитопровода, либо включать первичную обмотку в треугольник (при этом увеличивается ток в ней), либо использовать соединение вторичной обмотки в зигзаг (рис. 1, б).

При таком включении токи по секциям каждой обмотки протекают в разных направлениях, в результате среднее значение постоянной составляющей тока в каждой обмотке будет равно нулю. Но вторичное напряжение уменьшится, так как две полуобмотки будут включены не последовательно, а под углом 120°:

[image] .

Для получения ранее запланированной мощности трансформатора его габариты должны быть больше на 13% или [image] .


При работе на индуктивную нагрузку (рис. 3) каждый вентиль работает 1/3 периода, ток в нагрузке непрерывный. В кривой выпрямленного напряжения U d при [image] появляются участки отрицательного напряжения, поэтому среднее его значение уменьшается: [image] и [image] .

Обратное напряжение на вентиле может быть определено графически. Например, для вентиля VD1 (фаза а) оно определяется из рис. 3 как разность между кривой U d , формируемой участками синусоид U b и U c , и обратным напряжением U a . Его максимальное значение [image] . Прямое напряжение на вентиле [image] .

При активной нагрузке и для [image] формула та же, для [image] [image] .

Основные достоинства этой схемы - минимальное количество силовых элементов (тиристоров) и самая простая структура системы управления (СУ). СУ может подключаться между управляющими электродами тиристоров и их общим катодом и должна обеспечивать одиночные управляющие сигналы. Несмотря на необходимость применения силового трансформатора с определенными свойствами, такие трехфазные УВ получили широкое распространение.


Рис. 3. Диаграмма работы трехфазного нулевого УВ на индуктивную нагрузку

ТРЕХФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

Такие УВ наиболее широко распространены в области средних и больших мощностей, что связано с их высокими энергетическими и эксплуатационными характеристиками. Вентили схемы (рис. 4) образуют две группы: катодную (VD1, VD3, VD5) и анодную, и нагрузка оказывается подключенной к двум фазам вторичной обмотки трансформатора. Можно также считать, что нагрузка получает питание от двух последовательно включенных нулевых трехфазных схем выпрямления.

Особенностью схемы управления таким УВ является то, что она должна обеспечивать подачу сигналов управления при включении схемы, причем в некоторых случаях - одновременно на два тиристора из разных групп. При [image] работа УВ на активную и индуктивную нагрузку одинакова и полностью совпадает с режимом неуправляемого выпрямителя; при [image] имеют место различия.

На рис. 5 показаны диаграммы работы трехфазного мостового УВ на активную нагрузку при [image] = 30, 60 и 90°. Как видно из диаграмм, при [image] кривые U d и i d непрерывны (угол [image] отсчитывается от точки пересечения фазных напряжений). По мере увеличения [image] значения U d уменьшаются по закону


[image] ,

где [image] .

Рис. 4. Трехфазный мостовой УВ

Рис. 5. Диаграммы работы трехфазного мостового УВ на активную нагрузку при различных углах регулирования

Угол [image] является критическим и при дальнейшем его увеличении в кривых U d и i d появляются паузы, т. е. наступает режим работы УВ с прерывистым выпрямленным током (при активной нагрузке!). Для обеспечения этого режима на управляющие электроды тиристоров следует подавать либо сдвоенные импульсы с интервалом 60°, либо удлиненные шириной не менее 60° (показано на диаграмме для [image] ). Например, для того чтобы открыть тиристор VD1 в момент t 1 и обеспечить цепь тока, необходимо подать такой же сигнал на VD6. После того как разность мгновенных напряжений U 2a и U 2b станет равной нулю (t 2 ), оба тиристора закроются, а в момент времени t 3 должен вступить в работу VD2, который откроется только при наличии повторного управляющего сигнала на VD1 или при длительности его более 60°.


Для режима прерывистых токов

[image] .

При работе трехфазного мостового УВ на индуктивную нагрузку режим работы существенно изменяется (рис. 6). Так, ток в нагрузке остается (при данном [image] ) неизменным, каждый тиристор работает 1/3 периода, но переход тока с одного тиристора на другой происходит не в момент равенства фазных напряжений, а со сдвигом на угол [image] . Токи во вторичных, а следовательно, и в первичных обмотках представляют собой прямоугольные импульсы длительностью 1/3 периода одного и столько же другого направления. Сигналы управления подаются на тиристоры в соответствии с графиком 6, б, но при запуске схемы необходимо выполнить условие одновременной подачи сигнала на оба тиристора. С увеличением [image] уменьшаются средние значения U d и I d , но при [image] переход U d с кривой одного линейного напряжения на кривую другого происходит в пределах положительной полярности участков этих линейных напряжений, поэтому кривые U d и его среднее значение одинаковы при активной и индуктивной нагрузках.


Рис. 6. Диаграмма работы трехфазного мостового УВ на индуктивную нагрузку

При [image] в кривой U d (на рис. 7, показаны кривые линейных напряжений, так как именно они формируют напряжение на нагрузке) появляются участки с отрицательным напряжением, происходит более интенсивное снижение U d . При [image] эти площадки равны между собой и U d =0. Поэтому для индуктивной нагрузки [image] , а регулировочная характеристика трехфазной мостовой схемы имеет вид, показанный на рис. 8 (кривая а).

Рис. 7. Диаграммы работы трехфазного мостового УВ при различных углах регулирования

Рис. 8. Регулировочные характеристики трехфазного УВ

На диаграмме (рис. 6, г) показан график изменения прямого и обратного напряжения на одном из вентилей. Эти напряжения не могут превышать [image] , т.е. определяются линейным напряжением вторичной обмотки трансформатора. Следует отметить, что в принципе данная схема может применяться без специального трансформатора, получая питание непосредственно от сети.

При [image] работа схемы возможна, но уже в инверторном режиме, когда происходит преобразование энергии источника постоянного тока, включенного вместо нагрузки, в энергию переменного тока, отдаваемую в питающую сеть.


В некоторых случаях целесообразно применение трехфазного мостового УВ с неполным количеством управляемых вентилей, например, если в схеме на рис. 4 VD1, VD3, VD5 - тиристоры, a VD2, VD4 и VD6 - обычные диоды. Такая схема может рассматриваться как последовательное включение трехфазных нулевых управляемого и неуправляемого выпрямителей. При работе на активную нагрузку при [image] имеет место режим непрерывного тока, при [image] - прерывистого; регулировочная характеристика описывается уравнением

[image] .

Кратность пульсации выпрямленного напряжения равна 3, что требует или применения более мощных фильтров, или ограничения угла [image] ; по сравнению с полностью управляемым выпрямителем возрастает третья гармоника в кривой U d .

При индуктивной нагрузке для данного [image] I d =const, регулировочная характеристика имеет тот же вид, но при [image] катодная группа вентилей переходит в инверторный режим. В несимметричной схеме ухудшается коэффициент нелинейных искажений k н.и , но несколько улучшается [image] .


Диаграммы работы такой схемы для [image] = 30, 60 и 90° приведены на рис. 9.

Рис. 9 Диаграмма работы трехфазного мостового УВ с неполным количеством управляемых вентилей

ШЕСТИФАЗНЫЕ СХЕМЫ

В судовой преобразовательной технике такие схемы пока не применяются. Но в силу того, что по сравнению с мостовой схемой прямое падение напряжения на вентилях у них вдвое меньше, а частота пульсаций в два раза больше, а также амплитуда их в два раза меньше, чем у трехфазной нулевой схемы, эти выпрямители целесообразно использовать для получения хорошо сглаженного постоянного тока относительно низкого напряжения (на уровне 10 ...24 В).

Эти схемы выполняются как с уравнительным реактором, так и без него. Схема без уравнительного реактора показана на рис. 10.

Рис. 10. Шестифазный управляемый выпрямитель без уравнительного реактора (о) и диаграмма его работы (б)

Вторичная обмотка трансформатора выполнена в виде шестифазной звезды с нулевым выводом. В любой момент времени открыт один вентиль, потенциал анода которого выше чем у других. Коммутация вентилей происходит при [image] в моменты пересечения кривых фазных напряжений (или позднее на угол [image] ). Кривая выпрямленного напряжения - огибающая синусоид фазных напряжений: [image] .


Максимальное обратное напряжение на вентилях может быть определено графически (рис. 10, б) для VD1 и [image] :

[image] ;

[image] ;

[image] .

Первичная обмотка трансформатора должна быть соединена в треугольник, иначе в его сердечниках возникают нескомпенсированные МДС, пульсирующие с тройной частотой и вызывающие потоки вынужденного намагничивания.

Шестифазная схема с уравнительным реактором показана на рис. 11. Она представляет собой два трехфазных нулевых УВ, работающих на общую нагрузку через уравнительный реактор.

Питание схемы осуществляется от такого же трансформатора, имеющего по две вторичных обмотки на каждом сердечнике. Если считать намагничивающий ток реактора равным нулю, то [image] , практически такой режим имеет место начиная с I кр =1...2% I ном .


Рис. 11. Шестифазный УВ с уравнительными реакторами (а) и диаграмма его работы (б)

Если считать, что в нагрузке среднее значение постоянного тока является суммой токов, создаваемых каждой половиной схемы, то переменные составляющие прикладываются к уравнительному реактору. На диаграмме (рис. 11, б) показаны огибающие напряжения U a , U b , U c левой и U a ’, U b ’, U c правой частей схемы; заштрихованная область позволяет определить напряжение U k на реакторе; кривая напряжения на нагрузке (толстая линия) может быть получена как разность [image] .

Для этой схемы

[image] ;

[image] ;

[image] ;

[image] ( [image] , индуктивная нагрузка).


При [image] [image] , растет амплитуда напряжения на реакторе (при [image] - в 3,5 раза) и соответственно его габаритные размеры.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ И ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ СХЕМ

Для мощных выпрямительных устройств (управляемых и неуправляемых), рассчитанных на относительно высокие напряжения и токи, в частности для гребных электрических установок, применяют 12-пульсные схемы, которые состоят из двух мостовых трехфазных выпрямителей, включенных последовательно или параллельно. В первом случае напряжение на нагрузке является суммой выходных напряжений мостовых схем, во втором - суммируются токи. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения питание этих мостов производится или от вторичных обмоток одного трансформатора, но включенных по разным схемам (рис. 12, а), или от двух обмоток одного синхронного генератора СГ, сдвинутых в пространстве на [image] (рис. 12, б).

Рис. 12. Последовательное (а) и параллельное (б) включение выпрямительных схем

Первая схема, кроме различного включения обмоток, требует соотношения числа их витков [image] , что дает на выходе мостов одинаковое напряжение и [image] . Ток нагрузки протекает последовательно через оба моста, т. е. через четыре вентиля, что вызывает дополнительные потери. Сложение двух выпрямленных напряжений, каждое из которых имеет 6-кратную пульсацию, но сдвинутую на 30°, дает в результате 12-кратную пульсацию со значительно уменьшенной амплитудой: q = 2/(m 2 - 1) = 0.014.


При использовании схемы с уравнительным реактором УР происходит сложение токов в нагрузке при равенстве выходных напряжений мостов. За счет фазового сдвига на 30° мгновенные значения напряжений U d1 и U d2 не равны, и разница между ними прикладывается к реактору. Качество напряжения (коэффициент и частота пульсаций) здесь такое же, как при последовательном включении мостов, a q даже несколько меньше за счет реактора. Недостатком схемы является наличие реактора, который выполняет ту же функцию, что и в шестифазной нулевой схеме, но так как напряжение на уравнительном реакторе имеет частоту [image] , то амплитуда напряжения на нем [image] и габаритная мощность его невелика.

Такая схема имеет более высокий КПД, так как потери в вентилях меньше, чем при последовательном включении мостов. Если в мостах установлены управляемые вентили, то их работа аналогична работе мостовой схемы при индуктивной нагрузке, но оба моста при параллельном включении управляются одновременно, а при последовательном - по произвольному закону.