Работа №13 исследование шестипульсовых нулевых схем выпрямления
13.1 Цель работы
Изучение теории работы шестипульсовых схем "звезда-шестифазная звезда" и "звезда-две взаимообратных звезды" с уравнительным реактором, экспериментальная проверка основных соотношений между токами и напряжениями, изучение внешних характеристик, а также снятие осциллограмм токов и напряжений в элементах схемы.
13.2 Краткие сведения из теории
В настоящее время наибольшее распространение получили шестипульсовые схемы выпрямления. Ниже рассмотрим некоторые из них.
13.2.1 Звезда - шёстифазная звезда
Эта схема является простейшей шестипульсовой схемой выпрямления (рисунок 13.1, а). Она обеспечивает шестикратную пульсацию выпрямленного напряжения за период 2 переменного питающего напряжения и тем самым позволяет уменьшить переменную составляющую выпрямленного напряжения. Работа схемы иллюстрируется линейными диаграммами токов и напряжений в элементах схемы, (рисунок 13.2, а) В данной схеме, в любой момент времени ток проводит один из шести диодов, имеющих в данное время максимальное напряжение на аноде.
Кривая выпрямленного напряжения формируется верхушками напряжения работающих диодов.
Каждая фаза вторичной обмотки и подключенный к ней диод за время 2p проводит ток соответственно лишь , т.е. .
Это приводит к плохому использованию диодов и трансформатора. Кроме того, из-за несоответствия токов в первичной и вторичной обмотках по стержням трансформатора создается нескомпенсированная намагничивающая сила тройной частоты, из-за чего внешняя характеристика данной схемы выпрямления имеет крутой наклон.
13.2.2 Звезда - две взаимообратных звезды с уравнительным реактором
По этой схеме работает большое число выпрямителей тяговых подстанций. Схема состоит из двух коммутирующих трехфазных групп q=3: диоды V1,V3,V5 присоединены к фазам вторичной обмотки прямой, а диоды V2,V4,V6 - к обратной звезде (рисунок 13.1, б).
Схема позволяет осуществить шестипульсовое (m = 6) выпрямление при трехфазном режиме работы. Это означает, что в любой момент времени два диода, имеющих наивысший потенциал на аноде, работают параллельно. Параллельная работа двух диодов, принадлежащих к различным коммутирующим группам, обеспечивается действием уравнительного реактора.
Действие уравнительного реактора, как уравнителя анодных напряжений ( , параллельно работающих диодов V1,V2 в момент q1), например, поясняется линейными диаграммами рисунка 13.2, б, где горизонтальной и вертикальной штриховкой показана разница анодных напряжений параллельно работающих фаз в течение 2p. Эта разность и наводится в двух последовательно соединенных обмотках уравнительного реактора, если хотя бы по одной из них течет требуемый намагничивающий ток .
Напряжение, воспринимаемое уравнительным реактором , и ток, необходимый для создания этого напряжения , вынесены отдельно на рисунок 13.2, б и имеют тройную частоту по сравнению с питающим напряжением.
Величина намагничивающего тока, при котором обеспечивается параллельная работа диодов, обычно невелика (порядка 1% от номинального). Поэтому, как только ток нагрузки возрастает до критического , диоды начинают работать параллельно. Например, в момент q1 включаются параллельно диоды V1 и V2, у которых анодные напряжения и наибольшие.
На рисунке 13.3, б, показана мгновенная схема работы диодов V1 и V2 в момент q1, из которой можно проследить работу уравнительного реактора. Во время работы двух фаз возникает сложная цепь из трех контуров. Ток нагрузки замыкается в контуре I и II соответственно через фазу а1 - диод V1 и фазу c2 - диод V2. Работающие диоды V1 и V2 создают контур 3 между фазами а1 и c2, в котором под действием разности анодных напряжений и потечет переменный уравнительный ток от точки с большим потенциалом к точке с меньшим потенциалом, т.е. по контуру фаза а1 - диод V1, диод V2 - фаза c2 - уравнительный реактор.
Уравнительный ток , протекая через обмотки уравнительного реактора создает ЭДС , которая относительно точки 0 делится пополам . Причем, ЭДС совпадает с меньшим напряжением фазы c2 и направлена встречно с напряжением фазы а1. Так как ток создается действием заштрихованной разности анодных напряжений, то ЭДС будет переменной и иметь тройную частоту. Благодаря этому происходит непрерывное выравнивание анодных напряжений и обеспечивается параллельная работа двух диодов.
а)
б)
Рисунок 13.1 – Шестипульсовая нулевая схема выпрямления "звезда-две обратные звезды с уравнительным реактором" (а), "звезда – шестифазная звезда" (б)
На основании рисунка 13.3, б, мгновенное значение выпрямленного напряжения между точками 0-К может быть записано системой двух уравнений:
(13.1)
откуда
, (13.2)
Таким образом, мгновенное значение выпрямленного напряжения равно полусумме напряжений параллельно работающих фаз. Так как ЭДС в обмотке 001, относительно вывода 0 добавляется или вычитается во всех фазах нечетной звезды (а1, в3, с5), а в обмотке 002 – во всех фазах четной звезды (а4, в6, с2 ), то переход тока с одного диода на другой происходит в каждой звезде независимо: соответственно в точках 1, 3, 5 – в нечетной звезде, и в точках 2, 4, 6 – в четной звезде.
Потенциал общего катода К будет изменяться по кривой , и относительно точки 0 выпрямленное напряжение . Таким образом, при поочередной работе диодов происходит выпрямление переменного напряжения .
Так как в одном из диодов течет во встречном направлении, а это возможно лишь при условии, если прямой ток больше встречного, т.е. когда .Ток называется критическим .
При работе схемы возможны четыре режима:
Холостой ход. . Уравнительный ток отсутствует, и параллельная работа фаз не обеспечивается. Каждая фаза работает время (как в схеме "звезда-шестифазная звезда"), а выпрямленное напряжение изменяется по верхушкам синусоид напряжения вторичных обмоток (см. рисунок 13.2, а).
Среднее значение выпрямленного напряжения
. (13.3)
2. . В этом режиме каждый диод работает независимо в течение , а с учетом коммутации . Коммутация тока происходит между соседними диодами, например с V1 на V2, и в цепь коммутации кроме сопротивления фазы оказывается включенным сопротивление уравнительного реактора .
Выпрямленное напряжение изменяется по кривой пилообразной формы (рисунок 13.2, а).
3. , т.е. . Режим условного холостого хода.
Обе группы работают параллельно, а выпрямленное напряжение имеет шестикратную пульсацию (рисунок 13.2, б) и изменяется по верхушкам синусоид с амплитуды.
. (13.4)
Среднее значение выпрямленного напряжения условного холостого хода при равно
. (13.5)
Таким образом, при изменении тока выпрямленное напряжение скачком изменяется от 1,35 до 1,17 .Это оказывает вредное влияние на работу электроподвижного состава. Для устранения скачка выпрямленного напряжения трансформаторы оборудуются утроителями частоты.
4. . В этом режиме обеспечивается параллельная работа двух диодов разных звезд, но в момент коммутации тока с диода, заканчивающего работу, на диод, вступающий в работу, в течение угла g одновременно работают три диода.
Например, в точке 3 при переходе тока с V1 на V3 одновременно работают V1, V3 и V2, но в контур коммутации уравнительный реактор не входит (рисунок 13.2, б).
Как и в ранее рассмотренных схемах, коммутация тока создает коммутационное падение напряжения, что вызывает падающий характер внешней характеристики .
Внешняя характеристика выпрямителя при описывается уравнением
. (13.6)
Внешняя характеристика выпрямителя может быть рассчитана также по формуле (38).
Рисунок 13.2 – Линейные диаграммы напряжения вторичной обмотки , выпрямленного напряжения и тока , токов вторичной и первичной обмоток трансформатора, тока и обратного напряжения диода шестипульсовой схемы "звезда- шестифазная звезда" (а) и "звезда-две обратные звезды с уравнительным реактором" (б) при .
На рисунке 13.3, а приведена внешняя характеристика выпрямителя “две обратные звезды с уравнительным реактором”.
а) б)
Рисунок 13.3 – Внешняя характеристика выпрямителя “ звезда – две обратные звезды с уравнительным реактором” (а), мгновенная схема работы диодов V1 и V2 в момент времени q1 (б).
Работу отдельных диодов, фаз вторичной и первичной обмоток трансформатора при можно проследить по линейным диаграммам рисунка 13.2, а), при - по рисунку 13.2, б).
Сплошной линией на рисунке 13.2, б) показаны токи и напряжения в элементах схемы для реального трансформатора с учетом угла коммутации g, а пунктиром показаны изменение их формы для идеального трансформатора (g= 0).
Из диаграммы тока нагрузки видно, что при и мгновенной коммутации, каждая звезда (диодная группа) пропускает ток , а в пределах каждой группы мгновенный ток одного диода пропускается в течение . Переход тока в пределах каждой группы осуществляется в точках пересечения положительных полуволн синусоиды напряжения соответствующих звезд. Ток одной фазы вторичной обмотки .
Каждая фаза первичной обмотки работает за время 2p дважды. Например, фаза А пропускает ток при работе V1 (фазы а1) и V4 (фазы а4), поэтому , а .
Принимая во внимание приведенную выше продолжительность работы диодов и фаз, в таблице 5.2 приложения 5 даны основные соотношения между токами, напряжениями и мощностями для шестипульсовых схем выпрямления.