ЭМПС / Лекции ЭМПС / 3ф выпрямители

ТРЕХФАЗНЫЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ С ВЫВОДОМ ОТ СРЕДНЕЙ ТОЧКИ ТРАНСФОРМАТОРА

Рассмотрим такую схему с соединением вторич­ных обмоток трансформатора в звезду (рис. 1, а). При =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 работа схемы в большей степени зависит от характера нагрузки. Диаграммы напряжений и токов при чисто активной нагруз­ке для разных углов регулирования приведены на рис. 2. При 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 - .

При изменении в этих пределах регулировочная характеристика описывает­ся уравнением

,

где .

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

При 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

,

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°:

.

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

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

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 . Прямое напряжение на вен­тиле .

При активной нагрузке и для формула та же, для .

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 работа УВ на активную и индуктив­ную нагрузку одинакова и полностью совпа­дает с режимом неуправляемого выпрямите­ля; при имеют место различия.

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

,

где .

Рис. 4. Трехфазный мостовой УВ

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

Угол 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 ). Например, для того чтобы открыть тиристор VD1 в момент t₁ 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 (t₂), оба тиристора закроются, а в момент времени t₃ 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

.

При работе трехфазного мостового УВ на индуктивную нагрузку режим работы существенно изменяется (рис. 6). Так, ток в нагрузке остается (при данном ) 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 . 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 уменьшаются средние значения U_d и I_d, но при 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 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 эти площадки равны между собой и U_d=0. Поэтому для индуктивной нагрузки , 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 , 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 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 имеет место режим непрерывного тока, при - прерывис­того; регулировочная характеристика описывается уравнением

.

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

При индуктивной нагрузке для данно­го I_d=const, регулировочная характе­ристика имеет тот же вид, но при катодная группа вентилей переходит в инверторный режим. В несимметричной схе­ме ухудшается коэффициент нелинейных искажений k_н.и, но несколько улучшает­ся .

Диаграммы работы такой схемы для = 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 в моменты пересечения кривых фазных напряжений (или позднее на угол ). Кривая выпрямленного на­пряжения - огибающая синусоид фазных напряжений: .

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

;

;

.

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 , 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 .

Для этой схемы

;

;

;

(, индуктивная нагрузка).

При , растет амплитуда напряжения на реакторе (при - 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 (рис. 12, б).

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

Первая схема, кроме различного включения обмоток, требует соотношения числа их витков , что дает на выходе мостов одинаковое напряжение и . 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/(m² - 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 , то амплитуда напряжения на нем 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.