Н.А. Резниченко Исследование трехфазных нерегулируемых выпрямителей

Министерство образования Российской Федерации Государственное учреждение

Кузбасский государственный технический университет Кафедра общей электротехники

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ НЕРЕГУЛИРУЕМЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

Методические указания к лабораторной работе по дисциплине "Электротехника и электроника"

для студентов направления подготовки 551800 "Технологические машины и оборудование",

специальности 170100 "Горные машины и оборудование"

Составитель Н.А.Резниченко

Утверждены на заседании кафедры Протокол № 6 от 23.02.01

Рекомендованы к печати учебно-методической комиссией cпециальности 170100 Протокол № 5 от 2.04.01

Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса ГУ КузГТУ

Кемерово 2002

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение принципа работы трехфазных нулевой и мостовой схем неуправляемых выпрямителей, снятие и анализ внешних характеристик, получение временных диаграмм напряжений и токов элементов.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

ТРЕХФАЗНАЯ СХЕМА ВЫПРЯМИТЕЛЯ С ВЫВОДОМ НУЛЕВОЙ ТОЧКИ (СХЕМА МИТКЕВИЧА)

Рис.1. Принципиальная электрическая схема трехфазного нерегулируемого выпрямителя со средней точкой при активной нагрузке

Трехфазная схема выпрямителя с выводом нулевой (средней) точки (рис.1) применяется довольно редко, так как в ней плохо используется трансформатор и вентили должны выбираться на относительно высокое обратное напряжение. Это объясняется наличием так называемых магнитных потоков вынужденного намагничивания, содержащих постоянные и переменные составляющие магнитных потоков при соединении первичной и вторичной обмоток трансформатора звездой.

Потоки вынужденного намагничивания замыкаются частично по сердечнику, частично по воздуху и стальной арматуре, окружающей сердечник трансформатора. В результате сердечник трансформатора насыщается, а в стальной арматуре возникают тепло-

Рис.2. Электрическая схема трехфазного выпрямителя со средней точкой при соединении обмоток трансформатора по схеме зигзаг-зигзаг

2

вые потери за счет вихревых токов, индуктируемых переменной составляющей потока вынужденного намагничивания.

Вследствие насыщения сердечника трансформатора амплитуда тока намагничивания значительно возрастает, причем форма становится несинусоидальной. По этой причине вместо соединения обмоток трансформатора по схеме звезда-звезда на практике используют соединение звезда-зигзаг (рис.2), при котором на каждом стержне трансфор-

матора размещаются две вентильные обмотки. При этом токи вентилей протекают через обмотки, расположенные на одном стержне в противоположном направлении, и постоянные составляющие компенсируются. Для устранения дополнительных потерь, вызванных переменной составляющей потока вынужденного намагничивания, первичную обмотку трансформатора соединяют в треугольник.

Принцип действия трехфазной нерегулируемой нулевой схемы выпрямителя (см. рис.1) заключается в следующем. В каждый момент времени ток проводит вентиль той фазы вторичной обмотки

трансформатора,

3

мгновенное значение напряжения которой наибольшее по отношению к нулевому выводу трансформатора.

На рис. 3 приведены временные диаграммы напряжений и токов элементов трехфазного нерегулируемого выпрямителя с нулевой точкой. Из диаграммы рис.3,а видно, что каждый вентиль работает 1/3 периода (угол проводимости 2π/3). Кривая выпрямленных тока id и напряжения ud (рис. 3, б) состоит из импульсов прямого тока трех венти-

Рис. 3. Временные диаграммы в трехфазном нерегулируемом выпрямителе с нулевой точкой: а - напряжений на вторичной обмотке трансформатора; б - мгновенных значений напряжений ud и id, средние значения напряжения Ud и тока Id на нагрузке и вентилях VD1, VD2, VD3 в интервале их работы; в- тока iVD1 и напряжения uVD1 для вентиля VD1 в прямом и обратном направлениях

4

лей iVD1, iVD2, iVD3. Коммутация тока с вентиля VD1 на VD2 и с VD2 на VD3 происходит соответственно в моменты времени t2 и t3 (рис.3, б).

При работе VD1 (прямое направление) через него протекает ток iVD1, а напряжение uпрVD1=0 (рис.3, в). В обратном направлении напряжение на вентили uобрVD1 определяется разностью соответствующих фазных напряжений.

Выпрямленное напряжение и ток имеют одинаковую форму и содержат трехкратные пульсации за период.

Электрические параметры цепи нагрузки с числом пульсаций mп=m2=3 определяются следующим образом.

Среднее значение выпрямленного напряжения

		m2	π m2	m2	π m2	m2		π
	Ud =		∫ud d(ωt) =		∫ U2m cos(ωt)d(ωt) =		U2m sin		(1)
		2π		2π		π		m
			−π m		−π m		2
			2		2
	При m2=3	Ud=0,83U2m=1,17U2, где U2m и U2 – соответственно ампли-

тудное и действующее значения напряжений на вторичной обмотке трансформатора.

При активной нагрузке формы кривых выпрямленных напряжения и тока одинаковы, поэтому среднее значение выпрямленного тока

	определяется аналогично (1):		m2		π
	Id	=		Iam sin		,	(2)
			π
					m2
	где Iam =U2m rн - амплитудное значение тока тиристора; rн –						сопро-
	тивление нагрузки.

При m=3 Id=0,83Iam.

Амплитуда k -й гармоники пульсаций выпрямленного напряжения при учете, что период переменной составляющей выпрямленного напряжения равен 2π/m2,

				m2	π m2					2m2	π m2
	U(k )m =				−π∫mud coskm2ωtd (ωt) =						∫0U2m cosωt coskm2ωtd (ωt) =
				π						π
							2
				π				(3)
	=U	2m	sin m2				2		,
							k 2m22
				π				−1
				m2

где k=1, 3, 5, 7…

5

Коэффициент пульсаций q для k -й гармоники с учетом выраже-

ний (1) и (3)

q(к) =	U(k )m	=	2		.	(4)
	Ud		k 2m22
				−1

Частота пульсаций для k -й гармоники

f(k ) = km2 fc ,

(5)

где fc – частота напряжения питающей сети.

Электрические параметры вентилей определяются из условия, что в схеме с нулевой точкой число вторичных обмоток трансформатора равно числу пульсаций выпрямленного напряжения за период, поэтому каждый вентиль пропускает ток в течение части периода, равной 2π/m2.

Среднее значение тока через вентиль в m2 раз меньше тока нагрузки:

Ia =	Id	=		1	Iam sin	π	.	(6)
	m2		π
						m2

При m2 =3 Ia=0,277Iam или Iam/Ia=3,63.

Максимальное значение обратного напряжения на вентиле

Uобрm = 3U2m = 3	π	Ud			.	(7)
	m2	sin	π
			m2

При m2=3 Uобрm≈2,1Ud.

Электрические параметры трансформатора определяются сле-

дующим образом.
Действующее значение напряжения вторичной обмотки
U2	= U2m =	π Ud			.	(8)
			π
	2	2m2 sin
			m2

При m2=3 U2=0,855Ud.

Если учитывать активные сопротивления обмоток трансформатора r2тр и вентилей в прямом направлении rапр, то

U 2 = 0 ,855	U d	,	(9)
	η a

					6
где ηa =		rн			– условный КПД анодной цепи; rн – активное
	r	+r	+r
	н	2тр	aпп

сопротивление нагрузки выпрямителя.

Ток во вторичной обмотке трансформатора (так же, как и ток вентиля) протекает в течение времени, определяемого углом 2π/m2 за каждый период, поэтому действующее значение этого тока

1

π m2

2

2

2

π m2

2

1

+cos2ωt

I2

=

∫

Iam cos

ωtd (ωt) =

∫

Iam

d (ωt) =

2π −π m2

2π

0

2

sin

2π

10)

= Iam

1

m2

+

.

2m2

4π

При m2=3 I2=0,484Iam=0,583Id.

Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора трехфазного выпрямителя с нулевой точкой

S2 =m2U2 I2 =3 0,855Ud 0,583Id =1,48Pd .

(11)

Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора, соединенной звездой, при пренебрежении током намагничивания, в общем виде определяется по выражению

I1 = 21π	2π
	∫iA2 d (ωt)	(12)
	0

или I1=0,395nIam=0,476nId, где n=w2/w1 – коэффициент, определяемый числом витков фаз вторичной w2 и первичной w1 обмоток трансформатора.

Расчетная мощность первичной обмотки трансформатора

S

= m U

I

1

= 3

w1

U

2

I

1

=1,22P .

(13)

1

1

1

w2

d

Типовая мощность трансформатора

S

Т

=

S1 + S2

=1,35P .

(14)

2

d

7

ТРЕХФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ (СХЕМА ЛАРИОНОВА)

В трехфазном мостовом выпрямителе (рис.4) последовательно соединены две трехфазные вентильные группы: анодная

VD4, VD5, VD6 и катодная

VD1, VD2, VD3, каждая из которых повторяет работу трехфазного выпрямителя с нулевой (средней) точкой.

В мостовом выпрями-

теле (при r2тр=0, L2тр=0, Lн=0) одновременно пропус-

кают ток два вентиля: один – с наиболее высоким потенциалом анода относительно нулевой точки трансформатора из катодной группы вентилей, другой – с наиболее низким потенциалом катода из анодной группы вентилей.

Ток вторичной обмотки в мостовом выпрямителе не имеет постоянной составляющей, так как протекает по обмотке дважды за период, причем в противоположных направлениях.

Ток первичной обмотки по форме повторяет ток вторичной. Поэтому вынужденное намагничивание магнитопровода трансформатора отсутствует.

На рис.5 приведены временные диаграммы напряжений и токов элементов трехфазного мостового нерегулируемого выпрямителя при активной нагрузке.

Коммутация тока с одного вентиля на следующий (очередной в данной группе) происходит в моменты пересечения синусоид фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора (например точки а, б, в, г, д

8

Рис.5. Временные диаграммы : а – напряжений на вторичной обмотке трансформатора; б – мгновенных ud,id и средних значений Ud,Id напряжений и токов на нагрузке; в – мгновенных значений токов в вентилях катодной группы; г – мгновенных значений токов в вентилях анодной группы; д – напряжения в прямом и обратном направлениях для вентиля VD1

9

для вентилей катодной группы соответственно в моменты времени t1, t3, t5, t7, t9 на рис.5, а), то есть прохождения через нуль синусоиды линейного напряжения (рис.5, б).

Каждый вентиль проводит ток в течение трети периода (рис.5,в; 5,г). Пульсации выпрямленного напряжения происходят с шестикратной частотой 300 Гц (рис.5, б). Такие преобразователи принято называть условно-шестифазными. Они имеют меньшую амплитуду по сравнению с пульсациями выпрямленного напряжения трехфазных выпрямителей с нулевым выводом и лучше поддаются фильтрации. В выпрямленном напряжении содержатся высшие гармоники с номерами, кратными шести (шестая, двенадцатая, восемнадцатая и т.д.).

Широкое использование трехфазной мостовой схемы выпрямления во многих отраслях техники объясняется ее хорошими техникоэкономическими показателями: эффективным использованием трансформатора, сравнительно малым коэффициентом пульсаций, высоким КПД.

Электрические параметры трехфазного мостового выпрямителя рассчитываются по формулам (1)-(4), приведенным в общем виде для многофазного выпрямителя. Следует только учесть, что вместо фазного напряжения U2m необходимо учитывать линейное 3U2m , и при оп-

ределении действующего значения тока вторичной обмотки с учетом того, что ток в этой обмотке близок к прямоугольной форме, можно считать Iam≈Id. С учетом этого в табл. 1 приведены вычисленные электрические параметры трехфазной мостовой схемы в сравнении с нулевой.

Таблица 1

Трехфаз-			Трансформатор				Вентили			Нагрузка
ный вы-
прямитель	U2/Ud	I2/Id	I1/(nId)	S1/Pd	S2/Pd	SТ/Pd	Uобрm/Ud	Ia/Id	Iam/Id	KП(I)
с нулевой	0,855	0,583	0,476	1,22	1,48	1,35	2,09	0,33	1,21	0,25
точкой
мостовой	0,427	0,817	0,817	1,05	1,05	1,05	1,05	0,33	1,04	0,057

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Для исследования трехфазных нерегулируемых выпрямителей используется переносной стенд (рис.6) и сменные панели для исследования трехфазного нерегулируемого выпрямителя с нулевой точкой (рис.7) и мостового (рис.8). На переносном стенде расположены необ-